集成电路实验

实验1——积分器和微分器（μA741）【实验目的】（1）学会用集成运放设计积分器和微分器，熟悉电路原理和元件参数的计算。（2）熟悉积分器和微分器的特点、性能，并会应用。【实验仪器】•万用表，示波器，信号发生器，•“集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1.μA741芯片简介•μA741是第二代集成运放的典型代表•是采用硅外延平面工艺制作的单片式高增益运放。•其特点是：•采用频率内补偿•具有短路保护功能•具有失调电压调整能力•具有很高的输入差模电压和共模电压范围•无阻塞现象，功耗较低，电源电压适应范围较宽•有很宽的输入共模电压范围，不会在使用中出现“阻塞”•在诸如积分电路、求和电路及一般的反馈放大电路中使用，均不需外加补偿电容。μA741采用DIP8和SO8封装图11-2-1μA741的引脚及功能2积分器当开关S1断开时，IC1及其周围元件构成反相型积分器•积分器•广泛应用于扫描电路、+IN–INOFFSETNE－+μAOFFSETNE–VNC+VOUTPUA/D转换和模拟运算等方面。其输出电压和输入电压的积分成线性关系。•输出电压与输入电压的关系为ttuCRtu)d(1)(i111o13微分器当开关S1断开、S2闭合时，IC2及其周围元件构成反相型微分器。图11-2-2积分器和微分器电路原理图•微分器•其输出电压和输入电压的微分成线性关系，广泛应用于波形变换和模拟运算等方面。•输出电压与输入电压的关系为tuCRtutdd)()(i225o24积分器和微分器当开关S2断开、S1闭合时，IC1、IC2及其周围元件构成积分器和微分器。图11-2-2积分器和微分器电路原理图【实验内容】1.电路设计与仿真•参照图11-2-2设计积分器和微分器。•用Multisim软件对积分器和微分器电路进行仿真。2.积分器（1）将开关S1断开。（2）调零：将输入端ui1接地，用数字万用表测输出电压uO1，调节调零电位器Rp1，直至UO1=0（或UO1≈0）。（3）输入方波信号：①用信号发生器，在输入端ui1加入方波信号，频率为100Hz，电压幅度为±2V。用数字示波器观察ui1、uO1的波形，并记录其数值。②输入信号的电压幅度不变，改变频率，观察并记录ui1、uO1的波形。③输入信号的频率不变，改变电压幅度，观察并记录ui1、uO1的波形。（4）输入正弦波：①用信号发生器，在输入端ui1加入正弦波信号，频率为100Hz，电压有效值为1V。用数字示波器观察ui1、uO1波形及相位差，并记录其数值。②改变正弦波信号的频率，观察并记录ui1、uO1的波形及相位差。3．微分器（1）将开关S1断开，S2闭合。（2）调零：将输入端ui2接地，用数字万用表测输出电压uO2，调节调零电位器Rp2，直至UO2=0（或UO2≈0）。（3）输入方波信号：用信号发生器，在输入端ui2加入方波信号，频率为200Hz，电压幅度为±2V。用数字示波器观察ui2、uO2的波形，并记录其数值。（4）输入正弦波：①用信号发生器，在输入端ui2加入正弦波信号，频率为160Hz，电压有效值为1V。观察并记录ui2、uO2的波形及相位差。②改变正弦波信号的频率，观察并记录ui2，uO2的波形及相位差。4．积分器和微分器（1）将开关S2断开、S1闭合。（2）输入方波信号：•用信号发生器，在输入端ui1加入方波信号，频率为100Hz，电压幅度为±2V。•用数字示波器观察uo1、uo2的波形，并记录其数值。【实验总结】通过此次积分器和微分器实验，加深了我对积分器和微分器的了解，同时，也暴露我对仿真软件使用不够熟练，在今后的学习过程中，我会不断总结Multisim的技巧，达到熟练应用的目的。实验二自动校零放大器【实验目的】（1）熟悉仪器放大器及其工作原理。（2）掌握OPA2111的使用方法和应用电路。（3）学会自动校零的方法，并会应用。（4）熟悉小信号放大器的性能和特点，并会应用。【实验仪器】•万用表•示波器•信号发生器•直流稳压电源•“集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1．OPA2111、INA106芯片简介OPA2111是双低噪声精密运算放大器（BURR-BROWN，DualLow-NoisePrecisionDifetOperationalAmplifer），偏流极低（≤±4pA），建立时间极短（1μs建立至0.01％精度），噪声很小，经自动校零可使失调电压低于5μV，零漂≤0.028μV／°C，折算到输入端其零电位调节速率为≤2μV／s。常用于仪器放大器和小信号放大器。OPA2111采用DIP8（或006E）塑封和TO-99（或001B）金属封装。如图所示，是OPA2111引脚及功能。2．自动校零仪器放大器2．自动校零仪器放大器S1Key=SpaceR110kΩR2100ΩR31MΩR4100kΩR5100kΩU1AOPA2111AM324815C11µFVCC215VVCC1-15VVCC215VVCC2VCC1VCC1-15VS2Key=Space0267U2AOPA2111BM32481VCC1VCC204318Ui12Uo34图11-2-5自动校零仪器放大器•图中IC1A是主放大器，IC1B是辅助放大器。IC1B配合IC1A完成自动校零功能。•当开关S1打在2，开关S2打在4时，完成自动校零；•当开关S1打在1，开关S2打在3时，完成小信号放大。•图中参数对应的电压放大倍数为：Au=–R2／R1=–100倍。【实验内容及步骤】将“仪器放大器和差动放大器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1．电路设计与仿真参照图11-2-5设计自动校零仪器放大器，图11-2-6设计高精度差动放大器，Multisim软件对以上两个电路进行仿真，并记录仿真结果。2．自动校零当开关S1打在2、开关S2打在4时，完成自动校零功能，即零输入时，实现零输出。用数字万用表测量输出电压Uo，并记录数值。3．仪器放大器-1•当开关S1打在1、开关S2打在3时，完成小信号放大功能。（1）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，•频率为300Hz，电压（峰峰值）为50mV。•用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压数值，计算放大倍数。放大倍数为：𝐴𝑣=1.76725×√2×2×1000=100（2）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，•频率固定为300Hz，将电压值逐渐加大。•用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压数值，计算放大倍数。𝐴𝑣=2𝑈𝑜√2𝑈𝑖×1000F/Hz300300300300300300Ui/mV50100150200250300Uo/V3.5357.0709.36610.07210.44710.685Av141210088715543随着正弦波的电压不断增大，增益也不断增大，当电压增大到一定的时候，增益就不再增大了。3．仪器放大器-2（3）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，•电压（峰峰值）固定为50mV，频率逐渐加大。•用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压的数值，计算放大倍数。𝐴𝑣=𝑈𝑜25×√2×2×1000F/Hz3005001k5k10k20k30kUi/mVp50505050505050Uo/V1.7671.7671.7651.7141.5781.2440.974Av1001001001001009998由仿真电路可知，随着频率的增加，电压增益逐渐减少，最终增益为零。（4）在输入端Ui输入直流信号，电压为5～150mV。•用数字万用表测试输出端Uo的电压，并记录输出电压的数值，计算放大倍数。𝑣=2𝑈𝑜√2𝑈𝑖×1000F/Hz300300300300300300300Ui/mVp-p5356595125155205Uo/V0.3542.4744.5956.7168.6599.46510.116Av100100100100988670实验三差动放大器【实验目的】（1）熟悉差动放大器及其工作原理。（2）掌握INA106的使用方法和应用电路。（3）学会自动校零的方法，并会应用。（4）熟悉小信号放大器的性能和特点，并会应用。【实验仪器】•万用表•示波器•信号发生器•直流稳压电源•“集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】（1）INA106是单片增益差动放大器（BURR-BROWN，PrecisionGain=10DifferentialAmplifier），由一个精密运放和四个金属膜电阻组成，因四个电阻均经激光修正，所以具有很高的精度，其电压放大倍数的精度和共模抑制比均很高。INA106可提供精密差分放大器的功能，无需精密电阻网络，可用于增益为10、–10、11的差动放大及仪表放大。INA106采用DIP8和SO8封装。如图所示，是INA106的引脚及功能。3．高精度差动放大器图11-2-6高精度差动放大器在图11-2-6中，•第一级是由OPA2111构成的高精度仪用放大器，•第二级是由INA106构成的高精度差动放大器。•当开关S3、S4断开时，信号由Vi2、Vi3输入，•输出电压为Uo=10（Vi2–Vi3）•当开关S3、S4闭合时，信号由E1、E2输入，•输出电压为)12(1000)12)(210(167oEEEERRU【实验内容及步骤】将“差动放大器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1．电路设计与仿真图11-2-6设计高精度差动放大器，Multisim软件对以上两个电路进行仿真，并记录仿真结U1AOPA2111AM32481U3AOPA2111AM32481U2AOPA2111AM32481VCC215.0VVCC1-15.0VVCC1-15.0VVCC215.0VR11kΩR21kΩR31kΩR41kΩR51kΩR61kΩR71kΩVCC215.0VVCC2VCC121S1Key=AS2Key=A56807VCC1-15.0VVCC19VCC21011VCC2VCC143E1E2Vi2Vi1U'o果。2．差动放大器（1）将开关S3、S4断开，信号由Vi2、Vi3输入。•在Vi2、Vi3输入端，分别加入直流电压，•用数字万用表测量并记录输出端电压Uo‘的数值。（注：①Vi2、Vi3电压之差要小于1.5V；②Vi2、Vi3最大电压值应小于10V。）（2）将开关S3、S4闭合，信号由E1、E2输入。•用信号发生器在E1、E2输入端，分别加入方波信号，两路信号频率相同（注：范围为100～300Hz），两路信号电压范围在100～300mV。•用数字示波器观察并记录输出端Uo'的波形，并作出相应的解释。由仿真电路波形可知，在输入端稍微有一点变化，输出端就有较大的变化，从而提高精确度。实验四单限电压比较器【实验目的】（1）熟悉单限电压比较器和双限电压比较器的工作原理、电路特性和应用方面。（2）掌握LM311的使用方法和应用电路。（3）掌握电压比较器设计、测试和调整的方法【实验仪器】•万用表•示波器•信号发生器•直流稳压电源•“集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1．LM311芯片简介•LM311是专用电压比较器芯片（High-PerformanceVoltageComparator），电源电压范围大（±5V～±l5V）、偏置电流小（100nA）、失调电流小（6.0nA）、差分输入电压范围大（±30V）。•其输出与TTL、DTL及MOS电路相容，并可驱动指示灯和继电器。•可单电源供电，也可双电源供电，有集电极输出和发射极输出两种形式，还具有外部平衡调节端和选通控制端。•LM311采用DIP8和SO8封装。如图所示，是LM311的引脚及功能。2．单限电压比较器图11-2-8单限电压比较器（1）过零电压比较器•当开关S1闭合、S2断开时，是过零电压比较器。•当输入电压Ui´≥0时，输出高电平，Uo´=5V；•输入电压Ui´＜0时，输出低电平，Uo´=0。（2）任意电平比较器IN+2IN-3EMITOUT1BAL5COLOUT7BAL/STRB6IC1LM311Rp10kR5kS2S1+12V-1