12实验四运算放大器与受控源一、实验目的1.加深对受控电源的认识和理解。2.通过实验熟悉运算放大器的使用,形成有源器件的概念。3.掌握测试受控源的外特性、转移参数及负载特性的方法。二、实验原理简述运算放大器是一种高增益,高输入阻抗和低输出阻抗的放大器,常用图4.1(a)所示电路符号来表示。它有两个输入端,一个输出端和一个对输入和输出信号的参考接地端。“+”端为正相输入端,当信号从正相输入端输入时,输出信号与输入信号极性相同;“-”为反向输入端,当信号从反向输入端输入时,输出信号与输入信号极性相反。(a)(b)图4.1运算放大器的电路符号及等效电路当两输入端同时有电压作用时,输出电压)(00npuuAu其中0A称为运算放大器的开环放大倍数。理想情况下,0A和输入电阻inR为无穷大,因此有:npuu0inppRui0innnRui上述式子表明:(1)运算放大器“+”端与“-”端电位相等,通常称为“虚短路”;(2)运算放大器的输入端电流等于零,通常称为“虚断路”;(3)理想运算放大器的输出电阻很小,可以认为是零。这些重要性质是简化分析含有运算放大器网络的依据。运算放大器的电路模型为一受控电源,如图4.1(b)所示。在它的外部接入不同的电源元件,可以实现信号的模拟运算或模拟变换,它的应用极其广泛。含有运算放大器的电路是一种有源网络,本次实验将要研究由运算放大器组成的几种基本线性受控电源电路。13(1)图4.2(a)所示是一个由运算放大器构成的电压控制电压源(VCVS)。由于运算放大器的同相输入端“+”和反相输出端“-”为“虚短路”,所以有1uuunp(a)(b)图4.2VCVS故2122RuRuinR又因21RRii所以121212121212)1()()(221uRRRRRuRRiRiRiuRRR即运算放大器的输出电压2u受输入电压1u控制,其电压比为21121RRuu无量纲,又称为电压放大系数。该电路是一个正相比例放大器,其输入和输出端有公共接地点,这种连接方式称为共地连接。(2)将图4.3(a)电路中的1R看作一只负载电阻,这个电阻就成为一个电压控制型电流源(VCCS),如图4.3(b)所示。运算放大器的输出电流12nRuuiiRR14(a)(b)图4.3VCCS即2i只受运算放大器输入电压1u的控制,与负载电阻LR无关。比例系数211iguRg称为转移电导。(3)简单的电流控制电压源的电路如图4.4(a)。由于运算放大器的“+”端接地,即0npuu,流过电阻R的电流即为输入端口的电流1i。运算放大器的输出电压12Riu,它受电流1i控制,比例系数21urRir称为转移电阻。(a)(b)图4.4CCVS(4)运算放大器还可以构成一个电流控制电流源(CCCS),如图4.5(a)所示。(a)(b)图4.5CCCS15由于2121RiRiuRa又32132RRiRuiaR所以2322211133(1)RRRRiiiiiiRR即输出电流2i受网络输入端口电流1i控制,与负载电阻LR无关,其电流比为12nRuuiiRR22131iRaiRa称为电流放大系数。三、实验仪器设备及元器件1.可调直流稳压电源2.数字式直流毫安表3.数字万用表4.集成运算放大器μA741,电阻元件、受控源特性研究专用实验板四、预习及思考1.预习受控源的内容,分析受控源和独立源的区别;阅读实验原理。2.根据实验内容中的受控源电路原理图,按照给定元件的参数,进行分析计算,求出各受控源参数μ、g、γ、β值。并理解μ、g、γ、β的含义。五、实验内容与要求利用运算放大器构成的受控源(VCVS、VCCS、CCVS、CCCS)分别如图4.6、图4.7、图4.8和图4.9所示,分别求出其转移电压比(电压增益)μ、转移电导g、转移电阻γ和转移电流比(电流增益)β。1.电压控制电压源(VCVS)按图4.6所示接线。KRRf102。图4.6电压控制电压源(VCVS)16(1)受控源VCVS的转移特性)(12UfU。KRL2,开关K闭合(不接入电流表)。按照表4.1的要求,调节直流稳压电源的输出电压U1,记录相应的U2的值。注意:不能使稳压直流电源的输出短路。表4.1U1/V012345678U2/V(2)受控源VCVS的负载特性。开关K打开,接入电流表。调节并保持VU21,按照表4.2所示的要求,改变负载电阻LR的值,完成相应测量内容。表4.2RL/Ω501002003004005106008001000U2/VI2/mA2.电压控制电流源(VCCS)按图4.7所示接线。KR102。(1)受控源VCCS的转移特性)(12UfI。KRL2,开关K闭合(不接入电流表)。按照表4.3的要求,调节直流稳压电源的输出电压U1,记录相应的I2的值。图4.7电压控制电流源(VCCS)表4.3U1/V012345678I2/mA(2)受控源VCCS的负载特性)(22UfI。开关K打开,接入电流表。调节并保持VU21,按照表4.4所示的要求,改变负载电阻LR的值,完成相应测量内容。表4.4RL/KΩ502015105.1310.510.2U2/VI2/mA3.电流控制电压源(CCVS)按图4.8所示接线。KR11,5102R,KRF1。17(1)受控源CCVS的转移特性)(12IfU。KRL2,开关K闭合(不接入电流表)。按照表4.5的要求,调节直流电流源的输出电流IS(即I1),记录相应的U2的值。注意:不能使直流电流源的负载短路。图4.8电流控制电压源(CCVS)表4.5I1/mA056789101112U2/V(2)受控源CCVS的负载特性。开关K打开,接入电流表。调节并保持mAI71不变。按照表4.6所示的要求,改变负载电阻LR的值,完成相应测量内容。表4.6RL/Ω501001502005101K8K10K80KU2/VI2/mA4.电流控制电流源(CCCS)按图4.9所示接线。KR101,KR8.62,KRRF20。(1)受控源CCCS的转移特性)(12IfI。300LR,开关K断开(接入电流表)。按照表4.7的要求,调节直流电流源的输出电流IS(即I1),记录相应的U2的值。注意:不能使直流电流源的负载短路。图4.9电流控制电流源(CCCS)表4.7I1/mA0510152025303540U2/V(2)受控源CCCS的负载特性。开关K打开,接入电流表。调节并保持mAI71不变。按照表4.8所示的要求,改变负载电阻LR的值,完成相应测量内容。18表4.8RL/Ω01002003005106801K2K10KU2/VI2/mA六、实验注意事项1.电压控制电压源电路中注意直流稳压电源的输出不可短路。2.电流控制电压源电路中注意直流电流源的输出不可开路。七、实验总结及思考1.根据实验得到的数据,分别绘制出四种受控源(VCVS、VCCS、CCVS、CCCS)的转移特性和负载特性曲线。2.根据各受控源的转移特性曲线的线性部分求出其转移参数μ、g、γ、β值,与它们根据电路元件的计算值相比较。3.受控源的控制特性是否适合于交流信号?4.假设受控源的控制极性反向,试问其输出极性是否发生变化?八、附录μA741是通用型运算放大器电路,它的应用很广泛,可以构成各种功能电路,下面是其管脚资料和调零电路。图4.10μA741管脚资料和调零电路