运算放大器的基本应用电子报告

东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路实验第1次实验实验名称：运算放大器的基本应用院（系）：电子科学与工程学院专业：电子科学与技术（类）姓名：姜媛媛学号：06A17337实验时间：2019年4月11日评定成绩：审阅教师：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；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.熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法。二、实验原理1.反向比例放大电路图12.同相比例放大电路U17413247651R19.1kΩR210kΩR3100kΩR4100kΩ001VCC15VVCCVEE-15VVEE3XFG1XSC1ABExtTrig++__+_4002U1UA741CP3247651R110kΩR29.1kΩ2R3100kΩ1VCC15VVCCVEE-15VVEEXFG10XSC1ABExtTrig++__+_304图23.减法电路图34.微分电路图4U1UA741CP3247651R110kΩR220kΩ1R39.1kΩ0XFG1XFG20VCC15VVCCVEE-15VVEEXSC1ABExtTrig++__+_0XSC2ABCDGT23R4100.0kΩ40U1UA741CP3247651VEE-12VVEEVCC12VVCCR110.0kΩ1C10.1µFR210kΩC210nF2XFG10XSC1ABExtTrig++__+_4305.积分电路图5三、预习思考：查阅μA741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直流参数输入失调电压UIO典型值1~10mv实际运放当输入电压为零时，输出端有一个偏离零的直流电压Uos，为使为零，需要在输入端加一个直流电压，即为输入失调电压。输入偏置电流IIB80~500nA运放输入级差分对管的基极电流IB1,IB2.IB1=UA/R1IB2=UB/R3输入失调电流IIO20~200nA当运放输出电压为零时，俩个输入端静态电流的差值IIO=IB1-IB2失调电压温漂αUIO20uV/OC在工作温度范围内，失调电压随温度变化的比例共模抑制比KCMR70~90dB差模电压增益AUD与共模电压增益AUC之比KCM(dB)=20lg（AUD/AUC）开环差模电压增益AVD106无反馈时，运放输出电压除以同向端和反向端之间的电压差输出电压摆幅UOM12~14V当电压为输出信号时，外部量变化引起的的输出电压变化差模输入电阻RID0.3~2MΏ输入差模信号时，运放的输出电阻输出电阻RO75Ώ运放输出电压和输出电流之比，即从输入端看运放的等效电阻交流参数增益带宽积G.BW0.7~1.6MHz增益和带宽之比转换速率SR0.5V/us当运放在闭环状态下，其输出端加上大信号（通常为阶跃信号）时，每1US内输出电压变化的最大值。极限参数最大差模输入电压UIOR+15v同向反向端能承受的最大差模输入电压最大共模输入电压UICR+12~+13V运放能承受的最大共模输入电压范围最大输出电流IOS25~40mA运放能输出的电流最大值最大电源电压USR+18V运放能承受的所加电源电压最大值四、实验内容1.实验内容一（见在线实验1）：反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅μA741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）。μA741管脚图图1.1反相输入比例运算电路(1)直流特性测量：直流特性测量记录表Ui/VUo/VAu测量值理论值-214-7-10-0.55-10-100.5-4.97-9.94-102-12.84-6.42-10实验结果分析：当输入信号为土0.5v的电压时，电路能够输出输入信10倍放大放大功能，当输入信号增大到其输出信号理论值超过电源电压时，电路不能实现正常的放大功能，运放的输出电压只能达到电源电压(此处为15V),实际上这种情况发生时，输出电压往往比电源电压低1-2V。如本实验屮，输入电压为土2V时，理论输出电压为-20V或+20V，超过了电源电压，实际输出为-12.84V和14V。观察数据发现，在输入电压的绝对值一定时，运放输出的正电压大于负电压，在输出电压接近电源电压时表现得更加明显，由于放大器及电路本身结构具有不对称性，可推断这样的结果是合理的。(2)交流特性测量：交流特性测量记录表UiUo增益峰峰值（mVpp）峰峰值（mVpp）波形Au误差200（205.2）2050见图1.2.1-9.990.1%400（409.29）4050见图1.2.2-9.891.1%4000（4090）27020见图1.2.3-6.74432.45%260025750见图1.2.4-9.901%图1.2.1图1.2.2图1.2.3图1.2.4实验结果分析：如图，从波谷波峰来看，输出信兮波峰对应于输入信号波谷，同样的,输出信号波谷对应输入信号波峰，可见，实现了反相的功能。同时由信号的峰峰值的大小情况来看，实现|Av|=10的放大功能。(3)增益改变的测量：增益改变的测量记录表R1KΩRFKΩUimVppUomVppAu实验值Au理论值误差10100100（104.4）1020-9.77-102.3%10200100（106.26）2070-19.48-205.2%20100100（106.51）516.32-4.85-53%(4)运放特性测量——最大输出电压：自拟表格测量此时的运放交流特性和最大输出电压：交流特性测量记录表UiUo增益峰峰值（mVpp）峰峰值（mVpp）波形Au误差200（205）2050见图1.3.1-100400（409.5）4050见图1.3.2-9.891.1%4000（4080）21180见图1.3.3-5.1948.1%187018480见图1.3.49.881.18%图1.3.1图1.3.2图1.3.3图1.3.4实验结果分析：当电源电压变为+-12V时，最大不失真输出电压峰峰值为18.48V。失真时，最大输出电压峰峰值为21.18V。而当电源电压变为+-15V时，最大不失真电压峰峰值为25.75V。失真时，最大输出电压峰峰值为27.02V。与数据手册相吻合。(5)运放特性测量——最大输出电流：22.6mA最大不失真输出电压：4.965V图1.4实验结果分析：与RL=100kΏ时相比，最大不失真输出电压要小很多，这是最大输出电流限制导致的。(6)设计一个同相输入比例运算电路，要求其放大倍数为11。完成同相比例放大电路的设计及仿真。测量同相比例放大电路的交、直流特性。测量运放的最大输出电压和最大输出电流。拟定实验方案、设计记录表格、分析数据波形。(见在线实验第1单元的作业)答：直流特性测量数据：直流特性测量记录表Ui/VUo/VAu测量值理论值-2-12.766.3811-0.5(-0.496)-5.410.89110.5(0.503)5.5611.0511214.027.0111交流特性测量数据：交流特性测量记录表UiUo增益峰峰值（mVpp）峰峰值（mVpp）波形Au误差200（205.73）2250见图1.5.110.940.576%400（408.74）4560见图1.5.211.161.42%4000（4100）26990见图1.5.36.5840.15%237025820见图1.5.410.890.959%图1.5.1图1.5.2图1.5.3图1.5.4运放的最大输出电压：交流特性测量记录表UiUo增益峰峰值（mVpp）峰峰值（mVpp）波形Au误差200（205.51）2260见图1.6.111.32.73%400（409.35）4470见图1.6.210.920.73%4000（4090）21170见图1.6.35.17647.05%182019850见图1.6.410.910.85%图1.6.1图1.6.2图1.6.3图1.6.4当电源电压变为+-12V时，最大不失真输出电压峰峰值为19.85V。失真时，最大输出电压峰峰值为21.17V。而当电源电压变为+-15V时，最大不失真电压峰峰值为25.82V。失真时，最大输出电压峰峰值为26.99V。与数据手册相吻合。运放的最大输出电流:RL=220Ώ时，最大不失真输出电压为4.965V；最大输出电流为22.57mA。图1.7实验数据分析：与RL=100kΏ时相比，最大不失真输出电压要小很多，这是最大输出电流限制导致的。注意：实验内容一的电子报告必须上传提交到在线实验第1单元的作业中。2.实验内容二（见在线实验2）：(1)设计一个减法电路，满足1232ouuu=−,预习时设计好电路图，并用Multisim软件仿真，完成减法电路的设计及仿真测量；按仿真设计的电路参数完成电路的连接；用不同的直流电压输入测量输出与输入的关系；用一个方波信号和一个正弦波信号观察波形叠加；改变输入波形幅度观察输出波形变化规律；其他自主测量与发现（例如输入幅度、频率变化，输入电阻对测量的影响……）；拟定实验方案、设计记录表格、分析数据波形、撰写实验报告(见在线实验第2单元的作业)。电路仿真如下：图2.1图2.2a)直流减法功能测量：直流减法功能测量记录表第一组第二组第三组第四组第五组U1/V0.14.99334U2/V0.51-1.96-1.96-0.97-4.94UO/V（理论值）-0.7218.8912.9210.9421.88UO/V（测量值）-0.6814.0913.0611.0414.08如有易派，请截图示波器上的两个输入和一个输出的波形：图2.1.1图2.1.2图2.1.3图2.1.4图2.1.5实验结果分析：当u0的理论值大于电源电压（+-15V）时，输出电压将明显不满足减法关系，如第二组和第五组实验。实验中，将u2用负电压输入，实际实现了加法功能。b)交流减法功能测量：交流减法功能测量记录表输入第一组实验波形误差第二组实验波形误差U11kHz方波，幅度为1V见图2.2.13%2.5kHz三角波，幅度为1V见图2.2.21%U25kHz正弦波，幅度为200mV见图2.2.15%5kHz正弦波，幅度为200mV见图2.2.20.8%UO见图2.2.10.88%见图2.2.2实验结果分析：图2.2.1图2.2.2c)其他自主测量与发现幅度变化输入波形参数方波U1频率=1kHz幅度Vpp=1V频率=1kHz幅度Vpp=1V频率=1kHz幅度Vpp=2V输入波形参数正弦波U2频率=5kHz幅度Vpp=200mV频率=5kHz幅度Vpp=400mV频率=5kHz幅度Vpp=200mVUO见图2.2.1见图2.3.1见图2.3.2图2.3.1图2.3.2由图2.3.1和2.3.2可知当输入波形幅度发生变化时，根据减法运算，输出方波峰峰值和形状有一定变化。频率变化输入波形参数方波U1频率=1kHz幅度Vpp=1V频率=2kHz幅度Vpp=1V频率=1kHz幅度Vpp=1V输入波形参数正弦频率=5kHz频率=5kHz频率=2kHzU2幅度Vpp=200mV幅度Vpp=200mV幅度Vpp=200mVUO见图2.2.1见图2.3.3见图2.3.4图2.3.3图2.3.4由图2.3.3和2.3.4可知当输入波形幅度发生变化时，根据减法运算，输出方波频率和形状有一定变化。注意：实验内容二的电子报告必须上传提交到在线实验第2单元的作业中。3.实验内容三（见在线实验3）：(1)微分电路：用μA741运放，按图示电路结构和参数：R1=10kΩ，R2=10kΩ，C1=0.1μF，C2=10nF。连接好电路，确保正确无误，运放使用正负12V电源供电，