運算放大器的基本應用
加法器在多路信號的混合上有著很多的應用。 反相放大器,在單管放大電路上也有一樣的用法。下面是小編帶來的運算放大器的基本應用，希望對你有幫助。
實 驗 報 告
課程名稱：
第一次實驗
實驗名稱： 運算放大器的基本應用 院 （系）： 吳健雄學院 專 業(yè)：電類強化 姓 名： 號：
實 驗 室: 同組人員： 無 實驗時間：2012年03月23日 評定成績： 審閱教師：
實驗一 運算放大器的基本應用
一、實驗目的：
1、 熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的設計方法；
2、 熟練掌握運算放大電路的故障檢查和排除方法，以及增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、
帶寬的測量方法；
3、了解運算放大器的主要直流參數(shù)（輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入失調電流、溫度
漂移、共模抑制比，開環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻等）、交流參數(shù)（增
益帶寬積、轉換速率等）和極限參數(shù)（最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓、最大輸出電流、最大電源電壓等）的基本概念； 4、 了解運放調零和相位補償?shù)幕靖拍睿?/p>
5、 掌握利用運算放大器設計各種運算功能電路的方法及實驗測量技能。 二、預習思考：
1、 查閱741運放的數(shù)據手冊，自擬表格記錄相關的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋
參數(shù)含義。
2、 設計一個反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10KΩ，將設計過程記錄在預習報告上； （1） 仿真原理圖
（2） 參數(shù)選擇計算
因為要求|Av|=10，即|V0/Vi|= |-Rf/R1|=10,故取Rf=10R1,.又電阻應盡量大些，故�。篟1=10kΩ，Rk=100 kΩ, RL=10 kΩ （3） 仿真結果
圖中紅色波形表示輸入，另一波形為輸出，通過仿真可知|V0/Vi|=9.77≈10，仿真正確。 3、 設計一個電路滿足運算關系UO= -2Ui1 + 3Ui2
�。�1）仿真原理圖
（2）參數(shù)選擇計算
利用反向求和構成減法電路，故可取R1=10kΩ，RF1=30kΩ，R3=10kΩ，R2=RF2=20kΩ （3）仿真結果
輸入Ui2為振幅等于2V的方波，Ui1為振幅等于1V的方波，因為輸出為振幅等于4V的方波，故可知仿真正確。 三、實驗內容： 1、基本要求：
內容一：反相輸入比例運算電路
(I) 圖1.3中電源電壓±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//100kΩ。按圖
連接電路，輸入直流信號Ui分別為－2V、－0.5V、0.5V、2V，用萬用表測量對應不同Ui時的Uo值，列表計算Au并和理論值相比較。其中Ui通過電阻分壓電路產生。
實驗結果分析：
由于運算放大器的輸出會受到器件特性的限制，故當輸入直流信號較大時，經過運放 放 大后的輸出電壓如果超過UOM，則只能輸出UOM，根據數(shù)據手冊可以看出，VCC=±15V時，輸出電壓擺幅UOM≈±13V~±14V。這就是為什么輸入電壓較低時測得的增益與理論值相近，而輸入電壓較大時，則與理論值相差較大。
(II) Ui輸入0.2V、 1kHz的正弦交流信號，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，
在輸出不失真的情況下測量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時不需要接電阻分壓電路。
�。╝）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
�。╞）交流反相放大電路實驗測量數(shù)據
交流反相放大電路實驗測量數(shù)據
實驗結果分析：
從圖中可以看出輸入輸出信號的相位相差180，這符合反相放大器的特性，又輸入與輸出信號的有效值之比為10.3，與理論值相近，故可知該電路是一個反向比例放大電路。
(III) 輸入信號頻率為1kHz的正弦交流信號，增加輸入信號的幅度，測量最大不失真輸
出電壓值。重加負載（減小負載電阻RL），使RL＝220Ω，測量最大不失真輸出電壓，并和RL＝100 kΩ數(shù)據進行比較，分析數(shù)據不同的原因。（提示：考慮運算放大器的最大輸出電流）
實驗結果分析：
�。�1）當電源電壓為±15V時，運放的最大輸出擺幅范圍為±13V到±14V。
�。�2）當RL=100KΩ時，最大不失真輸出電壓在運算放大器的最大輸出擺幅范圍內；而當RL=220 Ω時，則最大不失真輸出電壓小了很多，由數(shù)據手冊可知，741運放的最大輸出電流IOS 為±25mA，故當負載為220Ω時，負載上最大的電壓為±5.5V，顯然實驗結果與理論值相近。
(IV) 用示波器X-Y方式，測量電路的傳輸特性曲線，計算傳輸特性的斜率和轉折點值。
�。╝）傳輸特性曲線圖（請在圖中標出斜率和轉折點值）
（-1.4，14.1）
斜率K=(14.1+13.8)/(-1.4-1.4)=-10.2
�。�1.4，-13.8）
�。╞）實驗結果分析：
傳輸特性的斜率為-10.2，這與運放的增益相近，故可知斜率即為運放的增益，而轉折點的值14.1以及13.8則為當VCC=15V時，運放的輸出電壓擺幅。 (V) 電源電壓改為±12V，重復(3)、(4)，并對實驗結果結果進行分析比較。 （a）大學網 自擬表格記錄數(shù)據
重復試驗內容（3）
�。�-1.2，12）
斜率K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10
�。�1.0，-10）
�。╞) 實驗結果分析：
重復內容（3）：當R=100kΩ時，最大不失真輸出電壓與運算放大器的輸出電壓擺幅相近（注：此時輸出電壓擺幅由于運放的VCC變小，故其也變�。�；
而當R=220Ω時，由于受到最大輸出電流的影響，故最大不失真輸出比R=100kΩ時的最大不失真輸出電壓小了很多，顯然這與內容（3）的結果一致。
重復內容（4）：當電源電壓改為±12V時，傳輸特性曲線基本與內容（4）一致，斜率仍舊表示電壓增益，轉折點為輸出電壓擺幅。
(VI) 保持Ui＝0.1V不變，改變輸入信號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率
fH并記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，并做簡單分析。 （a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=300mv
Vpp=2.2V
�。╞
（C）實驗結果分析： （1）查閱手冊可知放大電路上限頻率和增益的乘積為0.7~1.6MHz，顯然測量結果與
理論情況相符合。
�。�2）通過觀察波形可知，當頻率達到上限頻率時，此時增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號的相位差也發(fā)生了變化 (VII) 將輸入正弦交流信號頻率調到前面測得的fH，逐步增加輸入信號幅度，觀察輸出波
形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），記錄該點的輸入、輸出電壓
值，根據轉換速率的定義對此進行計算和分析，并和手冊上的轉換速率值進行比較。 （a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=0.632V
Vpp=3.1V
�。╞）
�。╟）實驗結果分析：
由于輸出信號近似為三角波，因此只需要計算輸出波形斜率就可得到轉換速率。計算結果為0.558 V/μs與手冊提供的理論值0.5 V/μs相近，故實驗正確。
(VIII) 輸入信號改為占空比為50%的雙極性方波信號，調整信號頻率和幅度，直至輸出波
形正好變成三角波，記錄該點輸出電壓和頻率值，根據轉換速率的定義對此進行計
算和分析（這是較常用的測量轉換速率的方法）。 （a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=2.24V
Vpp=19.2V
（b）
由于輸出波形為三角波，故只需計算三角波的斜率便可知轉換速率，計算結果為0.691V/us；同時運算放大器應用中，當頻率較高，輸出信號幅度較大時必須考慮轉換速率的影響。
(IX) RF改為10 kΩ，自己計算RP的阻值，重復（6）（7）。列表比較前后兩組數(shù)據的差別，
從反相比例放大器增益計算、增益帶寬積等角度對之進行分析。并總結在高頻應用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉換速率對電路性能的影響。 重復（6）： 保持Vi＝0.2V不變，改變輸入信號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fH并記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的`相位差，并做簡單分析。
�。╝）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=0.592V
Vpp=0.44V
�。╞）
�。╟）實驗結果分析：
�。�1）相比于內容（6）因為增益帶寬積為一常數(shù)，而現(xiàn)在增益減小了（由于RF 變�。┕蕩拺兇蠹瓷舷揞l率變大，顯然與實驗結果相符符合。
（2）通過觀察波形可知，當頻率達到上限頻率時，此時增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號的相位差也發(fā)生了變化。
重復（7）：
�。╝）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=1.00V
Vpp=0.52V
�。╞）
（c）實驗結果分析：
輸出信號電壓對時間求導可得到電壓變化率（即為轉換速率）。由于輸出信號為近似
三角波，因此只需要計算輸出波形斜率即可。同時由于轉換速率一定，故相比于內容（7
�。┯捎谏舷揞l率增大了，故輸出信號幅值應下降。
�。╠）總結在高頻應用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉換速率對電路性能的影響： 首先根據設計中的增益和上限頻率的計算出增益帶寬積， 然后根據輸出電壓的幅度和上限頻率計算轉換速率。 內容二：
設計電路滿足運算關系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信號，方波信號從示波器的校準信號獲�。M示波器Ui1為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信號，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實驗中如波形不穩(wěn)定，可微調Ui2的頻率。 （a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖 仿真波形：
實驗波形：
�。╞) 實驗結果分析： 通過觀察輸出波形可知，雖然輸出波形與理論波形有一定誤差，但是所得波形基本滿足關系Uo=-2Ui1+3Ui2且與仿真波形一致，故設計合理。
2、提高要求：
設計一個比例-積分-微分運算電路。滿足運算公式
uo(t)??(1
1100
?100?ui(t)dt?
110000
dui(t)dt
�。�
寫出具體的設計過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請考慮不同的系數(shù)對設計輸出有何影響？
（1）設計過程：由于課本中只是分別介紹比例、積分、微分電路，倘若采用分別得到
比例，積分，微分的結果后在相加，則所需器件較多，顯然不合實際，故采用一個運放，將比例、積分、微分融合在一個電路中（如下仿真電路圖）在復頻域中，應用拉氏變換可得傳
Rf?
??
R1SC1
1SC
f
遞函數(shù)為A(S)?
UO(S)Ui(S)
/(R1?
1SC1
??()
RfR1
?
C1C
f
?
1SR1C
f
?SRfC1)
其中
RfR1
?
C1Cf
為比例系數(shù)，
1R1C
f
為積分系數(shù)；RfC1為微分系數(shù)
經多次仿真過后最終選擇Rf=R1=100kΩ，Cf=100nf，C1=1nf
（2）仿真電路圖為：
�。�3）仿真波形：
（4）實驗波形：
�。�5） 實驗結果分析：
通過觀察波形可知實驗波形與仿真波形基本一致，圖中振蕩部分正是由于積分與微分共同作用的結果，故實驗正確。 3、創(chuàng)新實驗：
運用放大器的線性特性自行設計一個有意義的電路。
運用放大器設計一個求解二元一次方程組?
?y??(2x?10)?y??(10x?2)
的電路：
首先運用兩個運放，采用加法電路長生y??(2x?10)和y??(10x?2)，接著通過一個減法電路判斷兩個y值是否相等，若相等則輸入的電壓Ui即為所求的x值。
具體電路如下：
由于時間關系，并未在實驗中親自搭出電路以檢驗是否正確。 四、實驗體會：
實驗前總以為此次運放的基本應用應該和書本的內容差不多，對于老師在課上再上強調的計算后選參數(shù)這個環(huán)節(jié)十分重要體會不深，以為只要滿足關系便可以，可是在做內容二：設計電路滿足運算關系Uo=-2Ui1+3Ui2時便遇到了困難，由于示波器的輸出電阻比較大，導致負載上獲得電壓收到影響，以致示波器最后觀察到波形的峰峰值僅為6點幾伏，而當選用的電阻比較大時，則的到結果便于理論值相近。故在做模電實驗時，參數(shù)的選擇十分重要，這單在提高部分的實驗中也讓我們感受很深。相信經過此次實驗，今后實驗必定會更加認真。
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