实验一运算大器的基本应用.docx
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实验一运算大器的基本应用
LimsEER
电子实验报告
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:
梅王智汇
学
号:
61012215
实
验室:
105
实验组别:
同组人员:
无
实验时间:
2014年03月25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Uio
TYP1mV;MAX6mV
在输入电压为0时,存在一定的输J出电压。
输入
偏置电流I|B
TYP80nA;MAX500nA
第一级放大器输入晶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IIO
TYP20nA;MAX200nA
输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的
失调电压温漂
auio
20卩V/°C
温度变化带来的失调电压变化的比例
共模抑制比
Kcmr
MIN70dB;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
106
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uOM
MIN±12V;TYP±14V
正负输出电压的摆动幅度极限
差模输入电阻
Rid
MIN0.3MQ;TYP2MQ
输入差模信号冋相端与反相端之间的近似电阻值
输出电阻Ro
75Q
即运放输出电阻
交
流
参
数
增益带宽积
G.BW
0.7-1.6MHZ
有源器件或电路的增益与规
疋带宽的乘积
转换速率Sr
0.25-0.5V/以
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
极限
参
数
取大差模
输入电压U|OR
±30V
反向和冋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U|CR
±13V
冋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
IOS
TYP±30mA;MAX±
40mA
运放所能输出的电流峰值。
最大电源电压
USR
±22V
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>10KQ,将设计过程记录在预习报告上;
(1)仿真原理图
因为要求|Av|=10,即|Vo/Vi|=|-Rf/Ri|=1O,故取Rf=10Ri,输入电阻尽量大些,取:
Ri=15kQ,
Rk=150kQ,Rl=100kQ
(3)仿真结果
侮示波器
一时i可柯
比例1500Sv
通道A_比例1呂忡
通igB
比例恤5¥心/-y
城nrinrb」外部
XS3|0
Y&B|o
Y位置|0
电平『
1"
面加载1即\|闵
AC
□[DC(*
ac]a|dc*(7
姻血7标劇1自动1
无」
与理论值相符。
3、设计一个电路满足运算关系Uo=-2Uii+3Ui2
(1)仿真原理图
(2)参数选择计算
由于Uo=-2Uii+3Ui2=-2(Uii-3/2Ui2),考虑使用2个运放,第一个运放为反相比例放大器,输入O.IVpp,5kHz的正弦波,|Voi/Vii|=|-Rfi/Rii|=3/2,故Rii=10kQ,Rfi=15kQ;第二级为一个反相加法器,放大倍数为-2,选用Ri2=15kQ,Rf2=30kQ;由叠加原理,这两个
信号并联接入第二级运放的输入端,输出为Uo=-2Uii+3Ui2;
(3)仿真结果
输出幅值值为10.3V左右,与理论值符合;
三、实验内容:
1、基本要求:
内容一:
反相输入比例运算电路
⑴图1.3中电源电压±15V,Ri=10kQ,Rf=100kQRl=100kQRp=10k//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/V\
Uo/V
Au
测量值
理论值/
-1.987
13.9
-6.995
/-10
-0.509
\5.29
-10.39
/-10
0.497
-5.12
-10.30/
-10
1.993
-14.8
-7.42
-10
实验结果分析:
由运放的基本性质可知,当输出电压Uo>Uom时,输出电压为Uom,由数据手册,
Vcc=±15V时,输出电压摆幅Uom~±3V~±14V。
故当|Ui|>1.5V时,|Uo|=13~14V;|Ui|<1.5V
时,|Uo|=10|Ui|,实验结果与理论相符。
(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
Figure1
(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d
0.296\
3.20
1kHz
10.81
-10
交流反相放大电路实验测量数据
实验结果分析:
由于使用的函数发生器的输出信号不稳定,产生了相当部分的高次谐波干扰,导致
了波形的变形,所以本图并未显示出正确的正弦波形。
但是通过对波形的分析与修正不
难发现此波形依旧可以梵音出放大倍数为10倍左右,而输入输出的波形相位差为
180°,构成一个反向比例放大器,与理论结果符合;
(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,测量最大不失真输出电压值。
重加负载(减小负载电阻\Rl),使Rl=220Q,测量最大不失真输出电压,并和rl=100k澈据进行比较,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=100KQ
Rl=220Q
电源电压(15V)
15V\
15V
最大不失真输出电压峰值(V)
/13.9V
\5.3V
实验结果分析:
通过查阅数据手册可知,当电源电压为±15V时,运放的最大输出摆幅范围为±13V到土14V。
实验结果表明,RL=100KQ时,最大不失真输出电压为13.9V位于13V~14V之间符合理论值;而当RL=220Q时,则最大不失真输出电压为4.6V,考虑运放的最大输出电流为土30mA故
当负载为220Q时,负载上最大的电压为土6.6V实验结果与理论值符合。
(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)
(b)实验结果分析:
实验过程中由于示波器的老化,产生了相当部分的高次谐波,因此可以在图像
右下角看到在Ui=1.2~1.45V时,图形发生了偏离。
但通过对整体图像的分析不难得知,斜率为-10.22,正好与运放的增益倍数相等而转折点的值为(-1.32,14.1)(1.42,-13.9)输
入
(5)电源电压改为±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=100KQ
\Rl=220Q
电源电压(12V)//
12V
12V
最大不失真输出电压峰值(V)
11.2V
\5.1V
(b)实验结果分析:
/RL=100kQ,由于Vcc=12V,运算放大器的输出电压摆幅相应降低,故最大不失真输出电压峰值也降低为11.2V,与理论结果符合;
而当Rl=100Q,由于主要受最大输出电流的影响,所以其最大不失真输出电压峰值几乎不改变,实验值为5.1V与5.3V相近,符合理论结果。
⑹保持Ui=0.1V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(卩s)
T(卩s)
①=t/TX360
115
3.2
8.7
132.4°
(C)实验结果分析:
取增益为10*0.707=7.1左右时作为失真的临界值。
增益带宽积为0.7~1.6MHz,实验值G.BW=0.85MHz,符合理论结果。
当频率达到上限频率时,输入输出信号的相位差也发生了变化,这是由于当达到上
限频率运放中的阻抗元件滤除了部分高次谐波。
(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Uopp
dUO/dt
115
\0.220V
1.600V
/0.356
(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0.25-0.5V/卩S,所以0.356V/卩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Uopp
dUO/dt
66kHz
0.60V
4.48V
0.640
(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
(25卩S)的时间。
理论值为0.25-0.5V/卩S,但计算结果为0.640卩S,这是因为在实验中并未将输出波形调得非常标准,每个周期的波形左右不对称,对实验结果产生了较大
影响。
经过重做实验,测得另一组数据计算结果为0.478,符合理论值。
(9)Rf改为10kQ,自己计算Rp的阻值,重复(6)(7)。
列表比较前后两组数据的差另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Vi=0.2V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
(本图丢失,测得结果为真实结果)
此时Rp=5kQ
上限频率fH
(KHz)
/\相位差
/t(卩s)
T(卩s)
①=t/TX360
1151
640
1200
192°
(c)实验结果分析:
由于Rf增大,上限频率增大,由于增益带宽积为一定值,故增益倍数下降,与实验结果符合;相位差也发生较大变化,运放对于输出电压的相位影响会越来越大。
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Vopp
/dUo/dt
1.15MHz
312mv
232mv
0.58
(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0.25-0.5V/卩S,但测量值为0.58,这与测量的输出波形未能调成标准三角波有关。
用这种算法算出正确结果的前提就是需要将输出波形调成标准三角
波。
(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,对输出信号的影响越明显,在高频输入信号的情况下输出信号会严重失真。
在高频下应该选用增益带宽积更高的运放,以防止由于高频带来的信号失真。
内容二:
设计电路满足运算关系Uo=-2Uii+3Ui2,Uii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Um为1KHz、1V(峰峰值)的方波信号,数字示波器Uii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:
本实验电路实际上为一个加法电路,运用两个运放实现,由于正弦波的频率为5kHz,
方波输出电压为1kHz在一个方波周期内应该出现五个周期的正弦波形,从实验所得波
形可知波形正确,由于方波被反相放大,从图像上也可读得输出波形的相位与输入的方波相位相差180°,与理论相符。
由于输入TTI电压峰峰值为5.60V,则理论上输出电压峰峰值应该为11.2+0.3=11.5V左右,本实验测得输出电压峰峰值在10.8V~11.2V跳动,主要是受高次谐波
的干扰所致,经过游标测量的方式可测得输出电压峰峰值实际上为11.4V与理论值相当接
近。
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?
本运算电路包含比例放大,积分,微分三种运算,故可采用4个运放来分别实现比例放大、积分、微分和最终的求和;
设计电路图如图:
(2)分别观察比例-积分,比例-微分,积分-微分,比例-积分-微分运算电路的波形,
并进行分析比较。
输入为100Hz,1V的方波,其积分为三角波,表现为电压的线性上升,在上升沿和下降沿微分为S函数的±10000倍,表现为电压的跳变。
仿真波形:
比例-积分
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旦
今示液器-厝G1—1
比例-积分-微分
实验波形:
由于时间关系,实验中只记录了比例-积分-微分的波形,另外的波形在仿真实验中验证正确。
结果分析:
输入为100Hz,1V的方波,其积分为三角波,表现为电压的线性上升,在上升沿和下降沿微分为S函数的土1/10000倍,表现为电压的跳变。
四、实验体会:
在做实验时,由于仪器的不稳定性,导致了有些波形的变形和数据的不合理,这就需要我们耐心调试。
另外,对实验的结果的理论预测也是非常重要的,进过理论预测,我们可以在做实验时有所参照,并比对数据的合理性。
我们也可通过一些仿真EDA软件来验证
实验结果。
在搭试电路时,需要耐心和仔细,按照层次依次搭试,在测试电路时最好是先搭好电路再接上电源以防烧片。
在电路出现问题,按照一定的次序排查问题:
电路连线,共地与否,电源电压,实验仪器;一般经过这四步就可排除问题。
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- 实验 运算 大器 基本 应用