Question

[第五次实验模拟运算放大电路(一)]运算放大电路

Answer 1

东南大学电工电子实验中心

实验报告

学号： 姓名：

第 五 次

实验名称：模拟运算放大电路（一）

提交报告时间：2011年 05 月 01 日

完成名次：

成绩： 审批教师：2011年 月学习目标：

1、 了解运放调零和相位补偿的基本概念。

日

2、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法。

3、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、传输特性曲线的测量方法。 实验原理

1、 运放“调零”，是指运放作直流放大器用时，由于输入失调电压和失调电流的影响，当运

放的输入为零时，输出不为零，这不仅影响运放的精度，严重时还会造成运放不能正常工作。调零一般是在运放的输人端外加一个补偿电压，抵消运放本身的失调电压，达到凋零的目的。有的运放有调零引出端如本实验用到的741，其调零电路如下图所示，调节电位器RW ，可使运放输出电压为零。也有的运放无调零引出端，需要在同相端或反相端接一定的补偿电压来实现。

图1 调零电路图

2、 用示波器测量电压传输特性曲线的方法

图2 电压传输特性曲线测量

示波器X-Y 方式进行直接观察，是把一个电压随时间变化的信号（如：正弦波、三角波、锯齿波）在加到电路输入端的同时加到示波器的X 通道，电路的输出信号加到示波器的Y 通道，利用示波器X-Y 图示仪的功能，在屏幕上显示完整的电压传输特性曲线，同时还可以测量相关参数。测量方法如图2所示。

具体测量步骤如下：

(1) 选择合理的输入信号的电压，一般与电路实际的输入动态范围相同，太大除了会影响测量结果以外还可能会损坏器件；太小不能完全反应电路的传输特性。

(2) 选择合理的输入信号频率，频率太高会引起电路的各种高频效应，太低则使显示的波形闪烁，都会影响观察和读数。一般取50～500Hz 即可。

(3) 选择示波器输入耦合方式，一般要将输入耦合方式设定为DC ，比较容易忽视的是在X-Y 方式下，X 通道的耦合方式是通过触发耦合按钮来设定的，同样也要设成DC 。

(4) 选择示波器显示方式，示波器设成X-Y 方式，对于模拟示波器，将扫描速率旋钮逆时针旋到底就是X-Y 方式；对于数字示波器，按下“Display ”按钮，在菜单项中选择X-Y 。

(5) 进行原点校准，对于模拟示波器，可把两个通道都接地，此时应该能看到一个光点，调节相应位移旋钮，使光点处于坐标原点；对于数字示波器，先将CH1通道接地，此时显示一条竖线，调节相应位移旋钮，将其调到和Y 轴重合，然后将CH1改成直流耦合，CH2接地，此时显示一条水平线，调节相应位移旋钮，将其调到和X 轴重合。 3、 电压增益(电压放大倍数A V ) 测量方法

电压增益是电路的输出电压和输入电压的比值，包括直流电压增益和交流电压增益。实验中一般采用万用表的直流档测量直流电压增益，测量时要注意表笔的正负。

交流电压增益测量要在输出波形不失真的条件下，用交流毫伏表或示波器测量输入电压V i (有效值) 或V im (峰值) 或V ip-p （峰-峰值）与输出电压V o (有效值) 或V om (峰值) 或 V op-p （峰-峰值），再通过计算可得。测试框图如图所示，其中示波器起到了监视输出波形是否失真的

作用。

测电压增益(电压放大倍数A V )

预习思考：

1、 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报告上； （1） 原理图

（2） 参数选择计算

由题意，要使|AV |=10，Ri>10KΩ，即R F /R 1=10, R 1>10 KΩ, 取R 1=15 KΩ，则R F =150 KΩ, R =R F //R 1≈13.6 K Ω

2、 设计一个同相比例放大器，要求：|AV |=11，Ri>100KΩ，将设计过程记录在预习报告上； （1）原理图

（2）参数选择计算

由题意，要使|AV |=11，Ri>100KΩ，

∴1+R F /R 1=11, R F /R 1=10 R i =R +R 2=R F //R 1+R 2=

1011

R 1+R 2>100k Ω

取R 1=110 KΩ，R 2=100 KΩ，R F =1.1MΩ，R =

1011

R 1=100 KΩ

3、 设计一个电路满足运算关系V O = -2Vi1 + 3Vi2 （1） 原理图

（2）参数选择计算

V 0=(1+

R F R 1

)

R 3R 2+R 3)

V i 2-

R F R 1

V i 1

上图为差分运算电路，输出

R F R 1

=2, (1+

R F R 1

R 3R 2+R 3

=3,

∴R 2=0

现要使V O = -2Vi1 + 3Vi2 即使

R F R 1

=2, (1+

R F R 1

)

R 3R 2+R 3

=3,

∴R 2=0，R 3可取任意值

取R 1=10 KΩ ， R F =20 KΩ ， R 3=20K Ω

必做实验：

1、 23页实验内容1，具体内容改为：

(I) 图5-1电路中电源电压±15V ，R 1=10kΩ，R F =100 kΩ，R L ＝100 kΩ，R P ＝10k//100kΩ。

按图连接电路，输入直流信号V i 分别为－2V 、－0.5V 、0.5V 、2V ，用万用表测量对应不同V i 时的V o 值，列表计算A vf 并和理论值相比较。其中V i 通过电阻分压电

实验结果分析：

在输入V i 较小时，从表中数据可看出，运放的闭环电压放大倍数Avf 的测量值和理论值比较接近，误差在2%以内，而当增加V i 时，Avf 的测量值和理论值相差较大，达到了25%。

这是因为当(V +-V -) 较大时，Avf (V +-V -) >U O PP =V C C =15V, 故运放不再工作在理想线性区，此时放大倍数不再满足线性关系。

(II) Vi 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

交流反相放大电路实验测量数据

实验结果分析：由实验结果波形看出，实验值和理论值几乎没有误差，说明器件性能良好。

(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。

实验结果分析：

理论上，最大不失真输出电压值比电源电压小1~2V左右，从表中测得数据可看出，符合标准。

(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）

b) 实验结果分析：

由公式知，电路输入信号最大不失真范围是V ip -p =op -p ≈(-1.5~1.5V )

|A vf |

和横坐标符合，转折点的纵坐标值也满足最大不失真的条件。 斜率即放大倍数，算得K =10和理论值10几乎没有误差。

(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。

V

b) 实验结果分析：

从表格和特性曲线可看出，改变电源电压后，最大不失真输出电压和输出电压范围也随之变化。

但输入信号仍然在工作范围之内，放大器的放大特性并没有变化。

2、

24页内容3-(2)，设计电路满足运算关系V O = -2Vi1 + 3Vi2，其中方波信号从示波器的校

准信号获取，模拟示波器V i1为1KHz 、1V 的方波信号，数字示波器V i1为1KHz 、5V 的方波信号，画出波形图并与理论值比较。然后慢慢调整输入信号V i1 及V i2的幅值，观测运放反相端及同相端V -,V+的波形，了解“虚短”存在条件并作出解释。实验中如波形不稳定，可微调V i2的频率。 a ） 双踪显示输入输出波形图

用的是数字示波器，V i1为1KHz 、5V 的方波信号， V i 2为5KHz 、0.1V 的正弦信号。

b) 实验结果分析：

输入既有正弦波也有方波，放大器对方波正弦波均有放大作用，经叠加得到如图所示波形。 增大输入正弦信号幅值，则相应的输出正弦信号幅值增大。增大方波信号，则输出方波信号幅值增大。

虚短的概念：由于理想运放的开环差模电压增益为无穷大，当输出电压为有限值时，差模输入电压V --V +=0/A V =0, 即V -=V +。

当运算放大器是理想的深度负反馈放大器时，输出信号是有限值，此时满足虚短条件。V -, V +的波形一致。测量其反向端及同相端V -, V +的波形如下：

五：实验思考题

1、理想运放有哪些特点？

答：开环增益无限大；输入阻抗无限大；输出阻抗为零；开环带宽无限；

失调及其温漂为零；共模抑制比为无穷大；转换速率为无穷大。

2、运放用作模拟运算电路时，“虚短”“虚断”能永远满足吗？试问，在什么条件下“虚短”“虚断”将不再存在？

答： 不能永远满足。当放大器不是工作在线性区时，如输出端和反相端不存在负反馈，或者当A od ≠∞, (V +-V -) 值比较大，超出V C C 时，虚短，虚断现象不再满足。