集成运算放大器的应用

集成运算放大器的应用姓名：学号：组号：组内编号：一、实验目的：1.通过实验了解运算放大器的基本特性；2.学习并掌握运算放大器的运算关系和应用；3．了解运算放大器实现有源滤波器的方法。二、实验仪器（1）示波器：TDS1012C-EDU（2）万用表：KEITHLEY2110五位半万用表（3）信号发生器：AFG3051（4）直流稳压电源：SS1792F（5）面包板（6）元器件：器件名型号数量运算放大器μA7411电阻8.2kΩ110kΩ220kΩ2100kΩ1电容器0.1μF2三、实验原理集成运算放大器是一种性能优良的直接耦合放大器，又是一种通用性很强的多功能部件。理想运放的主要特性：1.开环电压放大倍数Avo=∞；2.差模输入电阻RID=∞，共模输入电阻RIC=∞；3.输出电阻Ro=0；4.共模抑制比KCMR=∞；5.输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零。当理想运放工作在线性区，有理想运放的特点：1.虚断路：输入电流为0；2.虚短路：差动输入电压V+-V-=0。（一）加减运算1.反相比例运算Rp满足RP=RF||R1;V+=V−=0,i1=iF,即i1=ui1−v−R1=uiR1=iF=v−−u0RF=−u0RF可得：u0=−RFR1ui2.同相比例运算Rp满足R3||Rp=RF||R1根据运放特点可知：V+=V−,i1=iF,iP=i3即v+=RPR3+RPui=v−=R1R1+RFuo可得：uo=RP||R3R1||RFRFR3ui当Rp满足平衡条件时，有uo=RFR3ui3.加法运算Rp满足Rp=RF||R1||R2根据运放特点可知：V+=V−=0,i1+i2=iF,即i1+i2=ui1R1+ui2R2=iF=−uoRF可得：uo=−(RFR1ui1+RFR2ui2)4.加减比例运算Rp满足R3||Rp=RF||R1根据运放特点可知：V+=V−,i1=iF,iP=i3即ui1−v−R1=v−−u0RF；ui3−v+R3=v+RPuo=−RFR1ui1+(1+RFR1)RPR3+RPui3=−RFR1ui1+RP||R3R1||RFRFR3ui3当Rp满足平衡条件时，有uo=−(RFR1ui1−RFR3ui3)（二）运算放大器实现有源滤波器1.低通滤波器根据运放特点可知：v+=v−=uo,iR1=iR2+iC1,iR2=iC2,uoui=R1R2(1+jωC1R2)(1+jωC2R2)(R1R2+1−R1R2−jωC2R1+jωC1R2)在电路中通常有R1=R2=R，C1=C2=C，则有：uoui=1(1+jωCR)2,|Ku|=|uo||ui|=11+ω2C2R2半功率点频率fH=√√2−12πRC,此时，引入了正反馈。若不引入正反馈，同样是低通滤波器，分析可得：|Ku|=|uo||ui|=1√(1−ω2C2R2)2+9ω2C2R2故fH=√(√51−7)/22πRC从图中可以看到，没有正反馈的阻容低通滤波器的幅频特性曲线的显著缺点是在通频带中电压传输系数的模随频率的升高而衰减。加上正反馈环路后，提高了上界频率附近传输系数的模，改善其幅频特性。2.高通滤波器当R1=R2=R，C1=C2=C，可以得到：uoui=1(1+1jωCR)2,|Ku|=|uo||ui|=ω2C2R21+ω2C2R2半功率点频率fL=√√2+12πRC3.带通滤波器当R1=R2=R，C1=C2=C，可以得到：uoui=13+j(ωCR−1ωCR),|Ku|=|uo||ui|=ωCR√9ω2C2R2+(1−ω2C2R2)2fL=√13−34πRC,fH=√13+32πRC四、实验内容与方法（一）利用运算放大器实现加减运算：按照图8-9插接电路板，运放电源电压为±10V。（1）反相比例运算：只有ui1端输入信号，f=1kHz,ui1=150mVp-p正弦信号用示波器观察uo与ui1的相位关系，并验证运算关系。（2）加法运算：f=1kHz,ui1=ui2=ui=150mVp-p正弦信号,用示波器观察uo与ui1的相位关系，并验证运算关系。（3）加减法运算：f=1kHz,ui1=ui2=ui3=ui=150mVp-p正弦信号，并验证运算关系。（二）运算放大器实现有源滤波器（1）有源低通滤波器的实现按照图8-5插接电路板，插接好的电路板经检查无误后方能接通电源，测出滤波器的幅频特性曲线，并得到滤波器的带宽，与理论值比较（2）有源高通滤波器的实现按照图8-7插接电路板，插接好的电路板经检查无误后方能接通电源，测出滤波器的幅频特性曲线，并得到滤波器的带宽，与理论值比较五、数据表格与数据分析（一）利用运算放大器实现加减运算：电阻R1R2R3RpRF阻值(kΩ)9.968619.75220.0528.1584100.29在反相比例运算和加法运算中，从示波器中均可观察到uo与ui1反相。运算输入端ui/mVuo/V|Au|比例关系理论值反相ui13323.3810.2u0=−RFR1ui10.06加法ui1、ui23324.9414.9uo=−(RFR1ui1+RFR2ui2)15.1加减法ui1、ui2、ui33323.4110.3uo=−(RFR1ui1+RFR2ui2−RFR3ui3)10.1从实验结果可以看出，输出信号与相应的输入信号在误差范围内满足相应的运算关系。主要的误差来源可能有三个，一是导线电阻和接触电阻的影响；二是Rp的取值不能保证运放完全处于对称工作状态，因此不能完全消除运放的偏置电流不对称及其漂流的影响。另外，仪器本身也有一定的误差。（二）运算放大器实现有源滤波器R1=10.205kΩR2=9.9686kΩC1=95.5nFC2=93.3nF（1）有源低通滤波器的实现ui=250mV幅频特性测量表f(Hz)lgfuo(mV)Kuf(Hz)lgfuo(mV)Ku10003.0018.40.0741502.181540.6169002.9520.00.0801402.151600.6407502.8823.20.0931252.101720.6866002.7829.60.1181202.081750.7005002.7037.60.1501002.001900.7584002.6048.00.192801.902080.8323002.4868.80.275601.782260.9042502.4086.40.346501.702260.9042002.301220.488401.602360.9441752.241360.544251.402410.9641602.201440.576101.002480.992幅频特性曲线有图可知：半功率点fH=102.068=117Hz分析时取的C=95nF,R=10kΩfH理论=√√2−12πRC=108Hz，并由公式|Ku|=|uo||ui|=11+ω2C2R2做了幅频特性理论曲线，相差不太多。（2）有源低通滤波器的实现ui=250mV幅频特性测量表f(Hz)lgfuo(mV)Kuf(Hz)lgfuo(mV)Ku50003.702400.982602.411760.7220003.302400.982502.401680.6910003.002360.972402.381640.677502.882320.952202.341600.665002.702200.902002.301440.594002.602040.841802.261360.563002.481880.771502.181200.492752.441760.721252.10960.39分析时取的C=95nF,R=10kΩ幅频特性曲线有图可知：半功率点fL=102.42=263HzfH理论=√√2+12πRC=260Hz，