实验二 集成运算放大器基本运算电路研究

实验二集成运算放大器基本运算电路研究一、实验目的1、研究由集成运放构成的比例、加法、减法、积分等基本运算电路的组成与功能，加深对集成运放线性应用电路结构和性能特点的理解，掌握其设计方法。2、了解运算放大器构成的基本运算电路在实际应用时的局限性和应考虑的问题。二、实验理论基础1、集成运放概述高电压增益、高输入电阻、低输出电阻、直接耦合的多级放大集成电路。由于集成运放具有极高的差模电压增益，要使其稳定工作于线性区，必须加深度负反馈，否则它将工作于饱和区或非线性状态。在运放输出端与输入端之间接不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如信号放大、信号运算、信号处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换等。反馈，就是把输出回路中的某个电量（电压或电流），通过一定的电路（反馈网络）送回到放大器的输入回路的过程。如果反馈到输入回路中去的电量是对输入信号起抵消作用，结果使闭环放大倍数减小的，称为负反馈。反之，称为正反馈。电压、电流反馈，串联、并联反馈。在分析或设计集成运放构成的电路时，通常可认为运放是“理想的”：输入阻抗Ri=∞开环差模电压增益Avd=∞输出阻抗Ro=0共模抑制比CMRR=∞带宽BW=∞失调、温漂等均为零2、理想运放在线性应用时的两个重要特性•“虚短”：V+=V-即运放的两个输入端的电位“无限”接近，就象短路一样，但不是真正的短路---虚短。•“虚断”：I+=0、I-=0即运放的两个输入端的偏置电流趋于0，就象断路一样，但不是真正的断路---虚断。1FiovfRRVVAVoViRFR1RPRL（电压并联负反馈）放大倍数输入电阻输出电阻1iRR0Ro（1）反相比例放大器3、基本运算电路i1FoVRRVF1PR||RR输出与输入成比例关系反相放大器的扩展应用，可以此类推到多个输入信号。（2）反相权重加法器)VRRVRR(Vi22Fi11FoF21PR||R||RR若R1=R2，则VoVi1RFR2RPR1Vi2)VV(RRVi2i11Fo若R1=R2=RF，则)VV(Vi2i1o输出电压为两输入电压的反相相加。（电压串联负反馈）（3）同相放大器F12R||RR若R1=∞，则VoViRFR2R1ioVV——电压跟随器1FiovfRR1VVAiR0Ro由叠加定理得（4）差动放大器（减法器）P1FFoi2i12P11RRRRV(VV)RRRR若电路对称，即：)VV(RRVi1i21Fo输出电压与两个输入电压之差成正比。VoVi1RFR2RPR1Vi2R1=R2，RF=RP，则输出电压Vo：（5）反相积分器tdtdtt01t01ioVi(t)CR1R(t)VC1)(V当输入信号为一阶跃信号时，ttCRE)(V1oVoCR1RPViVi(t)=0,t0E,t≥0ttCRE)(V1oVoCR1RPViVi(t)=0,t0E,t≥0Vi(t)Vo(t)tE-ER1CVi(t)tVo(t)ttAB2CRA21TB4、迟滞比较器（1）过零比较器（2）双向稳压管（3）迟滞比较器ZD42O()VVV正反馈电路，抗干扰能力强，转换速度快当V6=VOH时，434443444344Z2D142i'()RRRRRRVVVV当V6=VOL时，434443444344Z1D242i''()RRRRRRVVVV当V6=VOH时，434443444344ZD42i'()RRRRRRVVVV要使输出稳定为VOH，'0V4344ZD42i()RRVVV要使输出翻转为VOL，'0VTH42iVV当V6=VOL时，434443444344ZD42i''()RRRRRRVVVV要使输出稳定为VOL，''0VTH42iVV要使输出翻转为VOH，''0VTH42iVVTHV传输特性曲线及输入输出波形ZD()VVZD()VVTHVTHV42oV42iV4344THZD()RRVVV三角波→方波5、方波、三角波发生器电路三、实验电路设计电路设计：根据设计要求，选择合适的运放型号、确定电路结构及元件参数的过程。反相放大器、同相放大器、差动放大器设计原则基本相同。1、运放的选择根据被处理信号的频率、幅度大小、精度要求等来选择运放。主要从带宽、速度（转换速率）、失调电压电流、输入偏置电流等指标来选择。2、电路结构的选择同相、反相、差分等3、电路元件参数确定一般先根据电压增益要求确定RF与R1的比值，然后具体选择RF、R1的阻值。若对Ri没有明确要求，则先依据经验选取RF。选取原则：流过RF的电流应小于运放的最大输出电流（一般小于10mA），同时又要远大于运放的输入偏置电流IB。VoViRFR1RPRL通常反馈电阻RF的取值在十几kΩ～几百kΩ之间。若RF过大、R1也大，输入失调电流流过上述电阻会在运放输入端产生较大的附加差模电压，引起较大的输出失调；另一方面，1MΩ以上的大电阻通常噪声大、稳定性差、精度低。若RF过小、R1也小，使输入电阻Ri过小，可能满足不了要求。VoViRFR1RPRL四、实验任务与要求1、反相放大器的设计研究（1）设计一反相放大电路，要求Ri=10KΩ，|Av|=10。（2）安装该电路，加1kHz正弦信号，研究输入、输出信号的幅度、相位关系。输入信号幅度自定。2、设计并安装一个算术运算电路，要求实现：A、Vo=－(Vi1+0.5Vi2)B、Vo=Vi1－Vi2分别用直流和正弦信号在合适的幅度和频率范围内，进行验证。（1）设计反相积分电路，把方波变换成三角波。方波幅度2V、频率1KHz三角波幅度4V（2）安装该积分器。（3）输入方波，用示波器双踪显示输入、输出波形，测量幅值和周期。记录波形，标出幅值电压和周期时间值。3、反相积分器设计研究Vi(t)tVo(t)tt2V-2V-4V4V1ms2ms4、实验要求：（1）实验电路的选择和外围元件参数的确定要有依据和计算过程。（2）运放电源电压±12V，稳压电源输出电压……（3）积分器在实际使用时，常在积分电容的两端并联一个电阻Rf，形成直流负反馈，用以限制电路的直流电压增益。VoCR1RPViRfC=0.22uF输入信号的直流分量输入失调电压等VoCR1RPViRf为了减小积分误差，一般要求Rf（1/jωC），即f（1/2πRfC），此时Rf可认为开路，电路为基本积分器。但是Rf的接入将对积分电容C产生分流作用，从而导致误差。C=0.22uF通常取Rf10R12CRA21TBfCRf2112RABRfVi(t)tVo(t)ttAB积分器电路黄色黑色红色串联应用下次实验预习内容（需要仿真）：晶体管放大电路设计研究（实验教程第9章实验三）实验内容以上课时的PPT为主，有时会有所调整实验时带理论课教材