实验一运算放大器的基本应用吴健雄学院

1、东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电子电路实验 第一次实验实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 吴健雄学院 专 业：电类强化 姓 名： 学 号： 610111 实 验 室: 101 实验组别： 同组人员： 实验时间：2013年03月26日 评定成绩： 审阅教师： 实验一 运算放大器的基本应用一、实验目的：1、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法；2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、幅频特性、传输特性曲线、带宽的测量方法；3、 了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度漂移、共模抑制

2、比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念；4、 了解运放调零和相位补偿的基本概念；5、 掌握利用运算放大器设计各种运算功能电路的方法及实验测量技能。二、预习思考：1、 查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义。参数名称参数值参数意义及设计时应该如何考虑直流参数输入失调电压UIOTYP1mV;MAX6mV在输入信号为0时需要提供的额外输入电压输入偏置电流IIBTYP80nA;MAX500nA偏置电流就是第一级放大器输入晶

3、体管的基极直流电流。这个电流保证放大器工作在线性范围，为放大器提供直流工作点。输入失调电流IIOTYP20nA;MAX200nA两个差分输入端偏置电流的误差。其值过大会破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零，所以其值越小越好。失调电压温漂UIO20V/C温度变化带来的失调电压变化的比例共模抑制比KCMRMIN70dB;TYP90dB输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间的电压的比开环差模电压增益AVD输出端无反馈情况下，输出信号与输入差模信号的比值输出电压摆幅UOMMIN12V;TYP14V正负输出电压的摆动幅度极限差模输入电阻RIDMIN0.3M;TYP2M输入差模信号同相端与反相

4、端之间的近似电阻值输出电阻RO75输出端的等效电阻交流参数增益带宽积G.BW有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积转换速率SRS该参数指输出电压的变化量与发生这个变化所需的时间之比的最大值。极限参数最大差模输入电压UIOR30V反向和同相输入端能承受的最大电压值。超过这个电压值运放的功能会受到影响。最大共模输入电压UICR13V同相端与反相输入端承受的最大共模信号电压值。超过这个值运放的共模抑制比会显著下降，放大功能会受到影响。最大输出电流IOSTYP25mA;MAX40mA运放所能输出的电流峰值。最大电源电压USR22V运放最大电源电压。2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri

5、10K，将设计过程记录在预习报告上；（1） 仿真原理图（2） 参数选择计算因为是要求设计增益为10的反向比例放大器，所以,在图中即是,又考虑到电阻要大，平衡电阻要为R1，R4的并联，所以采用：R1=100K，R2=100K, R3=10K, R4=10K, R5=10K。（3） 仿真结果如图所示，输入1V，1KHZ的方波，输出为9.999V，1KHZ的方波，增益为-9.99-10，所以可以认为仿真是正确的。3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1）仿真原理图200k200k100k（2）参数选择计算与UO= -2Ui1 + 3Ui2对比可得合适的电阻：R1=100K；

6、RF=200k；R2=200K；R4=0；（3）仿真结果输入了5v，1KHZ方波信号与100mVPP,5kHZ正弦波信号，输出图像为两者按比例叠加，幅值为10V左右，符合理论预期。三、实验内容：1、基本要求：内容一：反相输入比例运算电路(1) 图1.3中电源电压15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按图连接电路，输入直流信号Ui分别为2V、0.5V、0.5V、2V，用万用表测量对应不同Ui时的Uo值，列表计算Au并和理论值相比较。其中Ui通过电阻分压电路产生。Ui/VUO/VAu测量值（V）理论值（V）2.000-13.050-6.525-10-2.00

7、014.300-7.150-10-0.4974.936-9.932-100.501-4.933-9.846-10实验结果分析：之前做实验的仿真模拟时时常会遇到一个问题：输出的波形不对，而且输出电压总在13V左右，而且随着电源电压变化而变化，当时百思不得其解。通过这个实验了解到了原因：从数据手册可以看出，VCC=15V时，输出电压摆幅绝对值约为13伏到14伏，也就是说当输入电压超过了工作范围时，会体现出非线性性质，测得的增益会与理论值相差较大。只有在电压在工作范围内时增益才会与理论值较为接近。(2) Ui输入0.2V、 1kHz的正弦交流信号，在双踪示波器上观察并记录输入输出波形，在输出不失真的

8、情况下测量交流电压增益，并和理论值相比较。注意此时不需要接电阻分压电路。（a）双踪显示输入输出波形图（b）交流反相放大电路实验测量数据输入信号有效值（V）输出信号有效值（V）信号频率电压增益测量值理论值0.22.041kHz10.210交流反相放大电路实验测量数据实验结果分析： 该电路中输入的是200mV有效值正弦波，其峰峰值约为,此电压在线性工作区内，所以信号不失真，增益接近理论值。由于使用的电阻会对电路的放大特性产生一些影响，所以放大的倍数会略有误差。 由图像可知两图线之间有着180的相位差，这也是符合实验预期的。(3) 输入信号频率为1kHz的正弦交流信号，增加输入信号的幅度，测量最大不

9、失真输出电压值。重加负载（减小负载电阻RL），使RL220，测量最大不失真输出电压，并和RL100 k数据进行比较，分析数据不同的原因。（提示：考虑运算放大器的最大输出电流）负载RL=100KRL=220电源电压（15V）15.0015.00最大不失真输出电压峰值（V）14.605.15实验结果分析： 有数据手册可知，当电源电压为15V左右时，运放的最大输出摆幅电压绝对值范围在13到14V左右，所以RL=100K的时候最大不失真输出电压峰值为14.60V是合理的。而当RL换为220时，最大不失真电压小了很多，其原因是UA741的最大输出电流的绝对值约为25mA,把这个电流值乘以220欧姆可以得

10、到5.5V，这就是RL为220时输出电压的最大值，所以当电阻为220时测得的最大不失真输出电压峰值为4.98V也是合理的。(4) 用示波器X-Y方式，测量电路的传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。（a）传输特性曲线图（请在图中标出斜率和转折点值）（1.38，-2.75）（-1.4, 2.95）注：为了图像的美观，所以CH1，CH2每格所代表的电压值是不同的，分别是1V和5V。所以斜率值应当为： （b）实验结果分析： 转折点的值都在1.4V附近，乘以增益为14V左右，符合电源电压为15V时最大输出电压摆幅在14V左右。图像斜率为-10.25， 约为理论值-10，也是合理的。 (5) 电源

11、电压改为12V，重复(3)、(4)，并对实验结果结果进行分析比较。（a）自拟表格记录数据负载RL=100KRL=220电源电压（12V）1212最大不失真输出电压峰值（V）11.64.7（-0.50, 2.10）（0.60,-2.37）（b) 实验结果分析：重复内容（3）：由于电源电压减小时，最大输出电压摆幅也会减小，所以RL为100K时，最大不失真电压为11.6V是合理的。当RL为220时，考虑最大输出电流，此电流也会随着电源电压的减小而减小，所以最大不失真电压为4.7V也是合理的。重复内容（4）：与之前的原理相同，考虑到图形的美观，CH1与CH2没格电压值分别为2V与5V，所以斜率的计算式

12、为： 而传输曲线与电源电压为15V时基本一致，电压增益也基本一致，这是由于所测数据的电压值都在线性工作范围内，是合理的。(6) 保持Ui0.1V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a）双踪显示输入输出波形图（b）上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 745.013.5133.3（C）实验结果分析： 放大电路的上限频率与增益的乘积为固定值，由UA741的数据手册可知此值为0.7-1.6MHZ，在此电路中上限频率为74KHZ,放大增益的绝对值约为10，所以测量结果是合理的。而且在数据中

13、可以看到，当频率达到上限频率时，电路的放大效果会有一定程度的失准，不仅仅是增益有所变小，相位差也较理论值180有所偏差。(7) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的fH，逐步增加输入信号幅度，观察输出波形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），记录该点的输入、输出电压值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt74kHZ0.58V3.76V0.489v/s（c）实验结果分析： 由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期的时间。理论值为0.25-0

14、.5V/S，所以0.489v/s的测量值是合理的。(8) 输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法）。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt20KHZ1.72V16.2V0579v/s（c）实验结果分析：由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期（25s）的时间。理论值为0.25-0.5V/S，所以0.579v/s的测量值是合理的，略有偏高是跟电路的电阻值的选择有关，难免会有

15、误差。有实验结果同时可以看出，当频率较高时，需要考虑转换速率的影响。(9) RF改为10 k，自己计算RP的阻值，重复（6）（7）。列表比较前后两组数据的差别，从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。 重复（6）： 保持Vi0.2V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a） 双踪显示输入输出波形图（b）此时Rp= 5k ，上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 7000.41.430100.7（b）

16、实验结果分析：此时由于电阻的变化输入输出的增益变为1左右，而此时的上限频率700HZ，所以两者的乘积还是在范围中的，所以实验结果是合理的。而相位差，周期等的变化都与电路中电阻的变化有着直接的关系，是合理的。 由实验结果可知，当频率为上限频率时，增益会比理论值有所下降，而相位差受到高频的影响更大，此时的相位差比74KHZ时的133还要小，达到了100.7，比180差了不少，所以高频对于电路的影响还是非常大的。重复（7）：（a） 双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号ViPP输出信号VOPPdUO/dt700k0.730.40.462V/s（b） 实验结果分析：dUO/dt的计算严格来说是求导运

17、算，但由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期（0.715s）的时间。理论值为0.25-0.5V/S，所以0.462v/s的测量值是合理的。由此可知频率的升高带来的是信号幅值的减小。有实验结果同时可以看出，当频率较高时，需要考虑转换速率的影响。（d）总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响： 在一定的转换速率下，频率越高，即周期越小，转换速率带来的影响就越明显，信号会严重失真。所以在高频下要充分考虑转换速率的影响，根据增益与上限频率计算出转换速率，保证电路工作在正常的状态，从而保证输出的信号不会有太严重的失真。内容二：设计电路满足运算

18、关系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器Ui1为1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V（峰峰值）的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信号，用示波器观察输出电压Uo的波形，画出波形图并与理论值比较。实验中如波形不稳定，可微调Ui2的频率。（a）双踪显示输入输出波形图(b) 实验结果分析 在实验中，一开始在电路图中使用的电阻全部都是10K量级的，虽然得到的形状是符合预期的，但是我们输入的的幅值为5V，所以按照题目中的公式输出信号的幅值应当在10V左右，但是实际的幅值却为8.8V，这显然是有很大

19、误差的，但是电路又没有问题，所以只能是电阻选择问题了。所以把所有电阻值都扩大了10倍，随后输出信号的幅值变为了10.3V，这样结果就正确了。其中正弦波由于是只有0.1V的幅值，而且是关于0点正负对称，所以对于最终的幅值影响不大。两者的叠加效果可以在图中明显的看出，周期对应的也完全正确。实验结果是符合要求的。2、提高要求： 设计一个比例-积分-微分运算电路。满足运算公式（1） 写出具体的设计过程，比例、积分、微分的系数可以有所不同，请考虑不同的系数对设计输出有何影响？1. 设计的过程：首先看到题目中的表达式的时候，马上就联想到模电教科书上的关于反向比例电路、积分电路、微分电路的三个电路模型，只要将三者用一个求和电路进行叠加，那么就很容易实现题目中的表达式了。由于这个方法搭出的电路清晰明了，所以没有考虑化简，便于参数的调整。一开始设计电路时没有考虑到电阻的大小，电容的大小对于电路的影响是十分巨大的，所以只考虑了比例的计算，用的电阻也都在百欧姆量级，造成了仿真结果误差非常大。后来经过老师的点播，了解到在运放电路中无论是平衡电阻，还是反馈电阻等等都要大一些才能保