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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(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)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(zhuǎn)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(diào)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(jù)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(jié)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(gòu)成減法電路，故可取R1=10kΩ，RF1=30kΩ，R3=10kΩ，R2=RF2=20kΩ （3）仿真結(jié)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(nèi)容： 1、基本要求：
內(nèi)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(chǎn)生。
實驗結(jié)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(jīng)過運放 放 大后的輸出電壓如果超過UOM，則只能輸出UOM，根據(jù)數(shù)據(jù)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(jù)
交流反相放大電路實驗測量數(shù)據(jù)
實驗結(jié)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(jù)進行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運算放大器的最大輸出電流）
實驗結(jié)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(nèi)；而當RL=220 Ω時，則最大不失真輸出電壓小了很多，由數(shù)據(jù)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(jié)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(zhuǎn)折點值。
�。╝）傳輸特性曲線圖（請在圖中標出斜率和轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)果結(jié)果進行分析比較。 （a）大學網(wǎng) 自擬表格記錄數(shù)據(jù)
重復試驗內(nèi)容（3）
�。�-1.2，12）
斜率K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10
�。�1.0，-10）
（b) 實驗結(jié)果分析：
重復內(nèi)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(nèi)容（3）的結(jié)果一致。
重復內(nèi)容（4）：當電源電壓改為±12V時，傳輸特性曲線基本與內(nèi)容（4）一致，斜率仍舊表示電壓增益，轉(zhuǎn)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
�。╞
�。–）實驗結(jié)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(jié)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(diào)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(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進行計算和分析，并和手冊上的轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)換速率。計算結(jié)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(diào)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(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進行計
算和分析（這是較常用的測量轉(zhuǎn)換速率的方法）。 （a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
Vpp=2.24V
Vpp=19.2V
�。╞）
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(zhuǎn)換速率，計算結(jié)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(zhuǎn)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(jù)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(jié)在高頻應用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)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
�。╞）
（c）實驗結(jié)果分析：
（1）相比于內(nèi)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(jié)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
�。╞）
�。╟）實驗結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率一定，故相比于內(nèi)容（7
�。┯捎谏舷揞l率增大了，故輸出信號幅值應下降。
（d）總結(jié)在高頻應用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對電路性能的影響： 首先根據(jù)設計中的增益和上限頻率的計算出增益帶寬積， 然后根據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率計算轉(zhuǎn)換速率。 內(nèi)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(diào)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(jié)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(jié)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(jīng)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(jié)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(jié)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(nèi)容差不多，對于老師在課上再上強調(diào)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(nèi)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(jié)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(jīng)過此次實驗，今后實驗必定會更加認真。
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