运放报告书

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 1—5mV （ ） 理想运放当输入电压为零时，其输出电压也为零，但实际运放当输入电压为零时，其输出端仍有一个偏离零的直流电压，这是由于运放电路参数不对称所引起的。 输入 偏置电流IIB 10—100nA 指运放输入级差分对管的基极电流 、 ，通常由于晶体管参数的分散性， 。输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级的性能，当它的β值太小时，将引起偏置电流增加。从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小。 输入 失调电流IIO 2—20nA 输出电压为零时，两输入端静态电路的差值，即 。其典型值为几十至几百纳安。由于信号源内阻的存在， 会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。 愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度。 失调电压温漂αUIO EMBED Equation.3 这是指在规定温度范围内 的温度系数。 共模抑制比KCMR 70—90dB （ ） 差模电压增益 与共模电压增益 之比。 开环差模 电压增益AVD 10 6 集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无反馈负载情况下的直流差模电压增益。 与输出电压 的大小有关。通常是在规定的输出电压幅度（如 ）测得的值， 又是频率的函数，频率高于某一数值后， 的值开始下降。 输出 电压摆幅UOM 12—14V （ ） 10—13V ( ) 正负输出电压的摆动幅度极限 差模输入电阻RID 0.3—2MΩ 输出电阻RO 75Ω 交流参数 增益带宽积G.BW 0.7—1.6MHZ 运放的增益是随着信号的频率而变化的，输出电压随信号频率增大而使其下降到最大值的0.707倍时的频率范围，称为带宽。增益与带宽的乘积是一个常数。 转换速率SR 当运放在闭环情况下，其输入端加上大信号（通常为阶跃信号）时，其输出电压波形将呈现一定的时延。其主要原因是运放内部电率中的电容充放电需要一定的时间。SR 表示运放在闭环状态下，每 时间内输出电压变化的最大值。 极限参数 最大差模 输入电压UIOR ±30V 反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。 最大共模 输入电压UICR ±13V 运放所能承受的最大共模输入电压。超过VICR 值，它的共模抑制比将显著下降。一般指运放在作电压跟随器时，是输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值。 最大输出电流IOS 10—40mA 运放最大正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。 最大电源电压USR ±22V 2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10KΩ，将设计过程记录在预习上； （1） 原理图 （2） 参数选择计算 电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//100kΩ。 |Au|=10 （3） 仿真结果 输入正弦波峰峰值为1V，输出余弦波峰峰值为10V，反相放大10倍。 3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2 （1）原理图 （2）参数选择计算 电源电压±15V，R1=10kΩ，R2=10 kΩ，RF＝20 kΩ。 UO= -2Ui1 + 3Ui2 （3）仿真结果 Ui1为1KHz、5V的方波信号，Ui2接入5kHz，0.1V的正弦信号，得到如图所示波形。 三、实验： 1、基础实验： （1）反相输入比例运算电路 (I) 图1.3中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//100kΩ。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 -2.040 14.27 -7.0 -10 -0.491 4.769 -9.7 -10 0.499 -4.875 -9.8 -10 2.017 -12.92 -6.4 -10 实验结果分析： 因为运放的电源电压是±15V，而且实际运放存在截止电压，运放输出的放大电压不会超过±15V，而设计的反相输入比例放大电路的增益Au为10，当输入电压为±0.5V时，放大10倍的电压小于±15V，所以能够达到放大倍数，测量所得的Au值和理论值很接近，而当输入电压为±2V时，若是放大10倍，输出电压应为±20V，但电源电压只有±15V，所以测量值和理论值不符。 (II) 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 （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 0.2 2 1k 10 10 交流反相放大电路实验测量数据 实验结果分析： 当输入波形为正弦波时，输出反相波形为余弦波，输入电压为0.2V，可以放大十倍，所以测量值和理论值相同。 (III) 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＝220Ω，测量最大不失真输出电压，并和RL＝100 kΩ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=100KΩ RL=220Ω 正电源电压（V） 15.17 15.12 正最大不失真输出电压（V） 13 8 负电源电压（V） -15.20 -15.19 负最大不失真输出电压（V） -14 -7 实验结果分析： 当输入信号频率为1kHz的正弦交流信号时，增加输入信号的幅度，因为运放的电源电压为±15V，所以存在最大截止电压，输出电压不不会超过±15V，并且一般比15V小。当负载不同时，运放的最大不失真电压最大不同，这是因为运放有最大输出电流，当输出电流达到最大输出电流时，运放的输出电流不再增加，因为所带负载不一样，所以输出电压也不同，负载阻值较小，则输出电压也较小。 (IV) 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） 转折点坐标 Ui Uo A -1.2 12 B 1.2 -11.5 斜率 -9.792 （b）实验结果分析： 通过示波器X-Y方式，可以看出运放存在最大输出电压，且最大输出电压不会超过电源电压，在运放的线性工作区，通过计算斜率，可以知道运放的电压增益。斜率为-9.792，和理论值-10很接近。 (V) 电源电压改为±12V，重复(III)、(IV)，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=100KΩ RL=220Ω 正电源电压（V） 12.59 12.60 正最大不失真输出电压（V） 11 8 负电源电压（V） -12.60 -12.57 负最大不失真输出电压（V） -10.5 -7 转折点坐标 Ui Uo A -1.2 11 B 1.1 -10 斜率 -9.13 （b) 实验结果分析： 将电源电压改为±12V，所得实验结果基本相同，只不过运放的最大不失真电压随着电源电压的减小而减小了。当改变负载的阻值后，运放的最大不失真电压同样发生变化，这是由于运放有最大输出电流。运放的电压增益的测量值和理论值也相差不大。 (VI) 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(μs) T(μs) Φ=t/T×360 o 30 18.3 33.3 198.9 o （C）实验结果分析： 当输入信号的幅度不变，改变信号的频率时，随着频率的增大，输出的正弦波逐渐出现了失真现象，此时的上限频率为30kHz，测量所得相位差为198.9 o ，略大于180 o 。当信号频率为上限频率时，电压增益会减小，同时输入输出的信号相位也有变化。 (VII) 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 30k 1 8.8 0.52V/us （c）实验结果分析： 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，观察输出波形开始失真变为三角波。741数据手册的转换速率为0.5V/us，测量值为0.52V/us，实验结果与理论值相近。 (VIII) 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 30k 1.1 10.2 0.62V/us （c）实验结果分析： 当输入信号频率较高时，输出信号的幅度较大时，运放转换速率会变大。 (IX) RF改为10 kΩ，自己计算RP的阻值，重复（VI）（VII）。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（VI）： 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 （b） 此时Rp= 5 kΩ ， 上限频率fH (KHz) 相位差 t(μs) T(μs) Φ=t/T×360 o 250 2.3 4 207 o （c）实验结果分析： 运放的增益与带宽之积为常数，增益越大，带宽越小。将RF改为10 kΩ，增益变为1，带宽增大，即上限频率变大。 重复（VII）： （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 250k 1.2 1.06 0.53V/us （c）实验结果分析： 741转换速率的理论值为0.5V/us，测量值为0.53V/us，实验结果与理论值相近。 （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： 在高频应用中，要根据设计中的增益和上限频率计算出增益带宽积要求，然后 根据电压幅度和上限频率的要求计算运算放大器的转换速率。 （2）设计电路满足运算关系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的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V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： 当输入Ui1为1KHz、5V的方波信号，Ui2接入5kHz，0.1V的正弦信号，根据运放差分电路的设计，实现Uo=-2Ui1+3Ui2 的运算后输出波形为正弦波河方波信号的叠加，如图所示。并且正弦波信号的频率是方波信号的5倍，所以从输出波形可以看出，在每个方波周期内有5个正弦波信号。 2、提高实验： 设计一个比例-积分-微分运算，。图1.4为比例积分微分（PID）电路。对于基本积分电路，用Z1和Zf代替电阻和电容。在复频域中，应用拉氏变换，将Z1和Zf写成运算阻抗的形式Z1(s)、Zf(s)，其中s为复频率变量，输出电压的表达式可以写成 改变Z1(s)和Zf(s)的形式，可以实现各种不同的数学运算。对于图1.4所示的电路，其传递函数为 上式括号内第一、二两项表示比例运算；第三项表示积分运算，因 表示积分；第四项表示微分运算，因 。 图1.4 比例积分微分电路 输入为Uipp=1V、f=10KHz的方波（占空比为50%）。设计不同的R、C值、测量PID电路输出电压波形。此电路什么时候是比例积分电路？而什么时候是比例微分电路？有没有其他实现比例积分微分运算的电路形式？ 答：（1）此电路什么时候是比例积分电路？而什么时候是比例微分电路？有没有其他实现比例积分微分运算的电路形式？ 设计原理图如下： 参数选择为： R1 =100 kΩ，C1 =22 nF，R2=510 Ω，C2 =22 nF，RP =100 kΩ。 仿真PID波形为： 实际测量所得波形为： 根据PID可知，输入方波信号时，在波形的上升沿河下降沿，由于信号的突变，所以在PID电路中会会先出现微分后积分使得波形稳定下来。 当波形稳定时，电路呈现的是比例积分电路，因为积分电路需要时间的积累，而当信号出现跳变时，电路呈现的是比例微分电路。 实现比例积分微分电路的方式还可以运用三个独立的电路：比例电路、积分电路、微分电路相加得到，电路图如下： _1363635480.unknown _1363635665.unknown _1363891184.unknown _1363891894.unknown _1363891931.unknown _1363891833.unknown _1363636131.unknown _1363891157.unknown _1363880315.unknown _1363635923.unknown _1363635616.unknown _1363635065.unknown _1363635357.unknown _1363635373.unknown _1363635219.unknown _1362301271.unknown _1363634931.unknown _1363634968.unknown _1363634889.unknown _1362463818.vsd � � � � � � R1 Rf Rp=R1//Rf +VCC -VEE Cf� + 4 C1� 6 7 2 3 － + RL Uo - Ui - + _1362300941.unknown _1362301254.unknown _1362300734.unknown