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1、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
2、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 如何考虑输入失调电压UIO15mV（ ）KRs0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IIB10100nA指运放输入级差分对管的基极电流 、 ，1BI2通常由于晶体管参数的分散性， 。输入21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 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
3、内阻变化引起的输出电压变化也愈小。输入失调电流IIO220nA输出电压为零时，两输入端静态电路的差值，即 。其典型21IBOI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，IO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IO输入级有效差分对管的不对称程度。直流参数失调电压 1CV20这是指在规定温度范围温漂 UIO 内 的温度系数。IOV共模抑制比 KCMR7090dB（ ）KRs10差模电压增益 与共VDA模电压增益 之比。C开环差模电压增益AVD10 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VDA出电压 的大小有关。O
4、通常是在规定的输出电压幅度（如 ）10测得的值， 又是频VD率的函数，频率高于某一数值后， 的值开A始下降。输出电压摆幅UOM1214V（ ）KR10L1013V( )2正负输出电压的摆动幅度极限差模输入电阻 RID 0.32M输出电阻RO 75增益带宽积 G.BW 0.71.6MHZ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。交流参数转换速率SR )2s(R.502Lk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
5、充放电需要一定的时间。S R 表示运放在闭环状态下，每时间内输出电压变s1化的最大值。最大差模输入电压UIOR30V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UICR13V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 1040mA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。极限参数最大电源电压 USR 22V2、 设计一个反相比
6、例放大器，要求：|A V|=10，Ri10K，将设计过程记录在预习报告上；（1） 原理图U1AD741CN3247651VCC15VVEE-15VR110kR2100kR39.1kR4100kXMM1V12 Vrms 1kHz 0 XSC1A BExt Trig+_ + _（2） 参数选择计算电源电压15V，R 1=10k，R F=100 k，R L100 k，R P10k/100k。|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U17413247651VCC15
7、VVEE-15VR110kR210kR320kR4100kXSC1A BExt Trig+_ + _V20.1 Vrms 5kHz 0 XFG1XSC2A BExt Trig+_ + _（2）参数选择计算电源电压15V，R 1=10k，R 2=10 k，R F20 k。UO= -2Ui1 + 3Ui2 212)(iFiFUo（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、实验内容：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，R 1=10k，R F=100 k，R L100 k，R P
8、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-2.040 14.27 -7.0 -10-0.491 4.769 -9.7 -100.499 -4.875 -9.8 -102.017 -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
9、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电压增益输入信号有效值（V）输出信号有效值（V）信号频率 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，
10、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 RL220，测量最大不失真输出电压，并和 RL100 k 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=100K RL=220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
11、，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 UoA -1.2 12B 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
12、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=100K RL=220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 UoA -1.2 11B 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
13、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 Ui0.1V 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）相位差上限频率 fH(KHz) t(s) T(s) =t/T360o 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 30kH
14、z，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/dt30k 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
15、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/dt30k 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 k，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（VI）： 保持 Vi0.2V 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 k ，相位差上限频率 fH(KHz) t(s) T(s) =t/T360o 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
