9-实验八集成运算放大器的运用

135实验八集成运算放大器的运用——运算器一、实验目的1、熟悉集成运算放大器的性能和使用方法；2、掌握集成运放构成基本的模拟信号运算电路。二、预习要求1、复习集成运放应用的有关内容，分析本实验各种应用电路的工作原理。2、根据电路参数，计算反相放大器，同相放大器的电压增益Avp，确定加法器和减法器电路图中的电阻值（R1，R2和R3）。并对加法器和减法器的输出值进行理论计算，根据输入波形的情况，预先估计加法、减法器的输出结果。3、对实验内容进行Multisim（EWB）或PSpice仿真，列出仿真结果。对设计部分的内容进行电路仿真。4、熟悉实验内容和步骤，画好实验数据记录表格。三、实验报告要求1、画出各种实验电路，列表整理实验数据。2、计算实验结果，与理论值比较，分析产生误差的主要来源。3、通过仿真软件完成设计内容，画出仿真电路和结果；四、实验原理集成运放是一种高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的直流放大器。若外加反馈网络，便可实现各种不同的电路功能。例如，施加线性负反馈网络，可以实现放大功能，以及加、减、微分、积分等模拟运算功能；施加非线性负反馈网络，可以实现乘、除、对数等模拟运算功能以及其它非线性变换功能。本实验采用TL082型集成运算放大器，其管脚排列如图1所示。TL082型为双运放、TL084为四运放。注意：在使用过程中，正、负电源不能接反，输出端不能碰电源，接错将会烧坏运放。图1TL082、TL084管脚图集成运放的应用非常广泛。本实验仅对集成运放外加线性负反馈后的若干种电路功能进行实验研究。1、反相放大器136136电路如图2所示，信号由反相端输入。在理想的条件下，反相放大器的闭环电压增益为：1RRViVAFoVF由上式可知、闭环电压增益的大小、完全取决于电阻的比值RF/R1、电阻值的误差，将是测量误差的主要来源。图2反相放电器图3同相放电器当取RF=R1，则放大器的输出电压等于输入电压的负值，即：此时反相放大器起反相跟随器作用。2、同相放大器电路如图3所示，信号由同相端输入。在理想的条件下，同相放大器的闭环电压增益为：11RRViVAFoVF3、电压跟随器电路如图4所示，它是在同相放大器的基础上，当R1→∞时，AVF→1,同相放大器就转变为电压跟随器。它是百分之百电压串联负反馈电路，具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压增益接近1的特点。图4同相跟随器原理图图5同相跟随器实际电路图4中，由于反相端与输出端直接相连，当输入电压超过共模输入电压允许值时，则会发生严重的堵塞现象，为了避免发生这种现象，通常采用图5所示的电压跟随器改进电路。并令R2=R1||RF=9.1KΩ。4、反相加法器电路如图6所示。当反相端同时加入信号Vi1和Vi2,在理想的条件下，输出电压为：)2Vi2RR1Vi1RR(VFFo当R1=R2时，上式简化为：)2Vi1Vi(1RRVFoViVi1RRVFo137R3=R1║R2║RFR3=RF图6反相加法器图7减法器5、减法器电路如图7所示，当反相和同相输入端分别加入Vi1和Vi2时，在理想条件下，若R1=R2，RF=R3时，输出电压为：)1Vi2Vi(1RRVFo若RF=R1，则Vo=V2-V1，故此电路又称模拟减法器。6、积分器电路如图8（a）所示，输入（待积分）信号加到反相输入端，在理想条件下，如果电容两端的初始电压为零，则输出电压为：toodt)t(ViC1R1)t(V当Vi(t)是幅值为Ei的阶跃电压时：tEC1R1)t(Vio此时，输出电压Vo(t)随时间线性下降。当Vi(t)是峰值振幅为ViP的矩形波时,Vo(t)的波形为三角波。如图8（b）所示，根据上式，输出电压的峰一峰值为：)2T(C1RVipVpop（a）（b）图8积分器在实际实验电路中，通常在积分电容C的两端并接反馈电阻RF，其作用是引入直流负反馈，目的是减小运放输出直流漂移。但是RF的存在对积分器的线性关系有影响，因此，RF不宜取太小，一般取100KΩ为宜。7、微分器微分器电路如图9（a）所示，输入（待积分）信号加到反相输入端，在理想条件下，如果电容两端的初始电压为零，则dt)t(dViC)t(ii而)t(i)t(iFi故dt)t(dViCR)t(iR)t(VoFFF上式表明，输出电压正比于输入电压对时间的微分。当输入电压Vi（t）为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍138138为一有限值，随着电容C的充电，输出电压Vo（t）将逐渐地衰减，最后趋0，如图9（b）。（a）（b）图9微分器8、差分放大器如左图所示，差分放大器有一个输出和两个输入；其中一个加在反相端，另一个加在同相端。可以由叠加原理求成各自输入对应的输出的和作为总输出。经整理后可得：212211341/()1/oiiRRRvvvRRR1122,,0iioRRRRR当电路中的电阻对成相等比值的时候，即：3142RRRR图（10）差分放大器这些电阻形成了一种平衡电桥，输出得以简化成下面的形式，输出正比于输入的差值，故此电路得名为差分放大器。差分放大器可以很方便的从高共模信号里面提取很小的差分信号。2211()oiiRvvvR9、仪用放大器仪表放大器是满足如下技术要求的差分放大器：（a）极高（理想为无穷大）的共模和差模输入阻抗；（b）很低的（理想为零）的输出阻抗；（c）精确和稳定的增益，一般在31/~10/VVVV；（d）极高的共模抑制比。经过适当的加工，上面的差分放大器可以后面三项要求。由于其差模和共模输入电阻为：12131422,(RRRR2idicRRRRR令＝，＝）139它们都是有限的。在该放大器前面设置两个高输入阻抗的缓冲器可以消除这些缺陷。这就是三运放IA的经典电路（下图）了，本实验中用该放大器作输入级。该电路增益为：32G1RA12)RRR＝（＋）*(图（11）仪用放大器10、电流－电压转换器：电流－电压转换器（I－V转换器）也称为跨阻放大器；它接受一个输入电流i，并产生ovAi的输出电压，这里A是电路增益，以V/A计算。对于如下图所示的电路中，1ovRi增益是R，这是由于电流参考方向选取的原因。增益的幅度也称为该转换器的灵敏度；对某一给定的输图（12）I-V转换器入电流变化，其给出了输出电压的变化。例如，对于1/VmA的灵敏度，就需要1Rk，对于1/VA的灵敏度，就需要1RM。对于高灵敏度的应用可能会带来的对大电阻的要求，可以采用一种T型网络来实现高灵敏度（如左图所示）的同时，避免不切合实际的大电阻。1ovkRi2211RRkRR在实际的运算放大器中，它的输入端流出的一个小的电流称为输入偏置电流，它可以影响高灵敏度的I－V转换器的性能。这里Ii本身是很小的，这一缺点可以通过改用低输入140140偏置电流的运算放大器来克服，比如JET输入和MOSFET输入运算放大器。三、实验仪器1、示波器1台2、信号发生器1台3、数字万用表1台4、电子学实验箱1台四、实验内容1、反相放大器图13直流信号源（1）按图2搭实验电路。先测量RF=____,R1=____,计算AVF=-RF/R1=_______。（2）输入直流信号电压Vi1（如图10），用数字电压表DCV档分别测量Vi和Vo记入下表,并计算电压放大倍数AVF(Vi取+0.5V和-0.5V左右二个值)（3）将输入信号改为频率1KHz的正弦波，当Vi=0.5V时，用数字电压表ACV挡分别测量Vi和Vo，在测量过程中，输出端应接示波器监视输出波形,不应有削波失真或自激干扰现象。并计算AVF值。（4）将图2中RF改为10KΩ，此时运放工作在反相跟随状态，输入端加上正弦波信号电压，用双线示波器同时观察Vi和Vo。当Vi分别为0.5V和5V时，测量对应的输出电压Vo，在同一时间坐标上画出输入、输出波形。表1：反相放大器测量表直流交流跟随（交流）波形ViVoAVF2、同相放大器（1）按图3搭接实验电路，测量RF=_____,R1=_____,计算1RR1ViVAFoVF（2）其他实验步骤与反相放大器中步骤（3），（4）相同。(3)电压跟随器:按图5搭接实验电路；实验步骤与反相放大器中步骤（4）相同。表2：同相放大器测量表直流交流跟随（交流）波形ViVoAVF4、反相加法器141（1）按图6搭接实验电路，若RF=100KΩ，要求满足Vo=-10（Vi1+Vi2），求出R1、R2、R3值。测量RF=____,R1=____,R2=____，计算：)2Vi2RR1Vi1RR(VFFo（2）两个输入端加上不同的直流电压Vi1和Vi2，按表2测量相应的输出电压Vo，必须注意，为保证电路工作在线性放大区，因此要求2Vi1ViVi1V5、减法器已知RF=100K，按图7选择R1，R2和R3值，使满足AVF=10(Vi2-Vi1)实验步骤与加法器相同。并要求1i2iVVVi1V。表2：反相加法、减法器测量表6、积分器（1）按图8搭接实验电路（2）从信号发生器输出方波信号作Vi，频率f=1KHz，用双线示波器同时观察Vi和Vo的波形。要求Vi的正负峰值为1V，占空比1/2。在同一时间坐标上画出输入、输出波形，并定量记下Vi、Vo和周期T，并与理论计算VoP-P进行比较。7、微分器（1）按图9搭接实验电路（2）从信号发生器输出方波信号作Vi，频率f=1KHz，用双线示波器同时观察Vi和Vo的波形。要求Vi的正负峰值为1V，占空比1/2。在同一时间坐标上画出输入、输出波形，并定量记下Vi、Vo和周期T，并与理论计算VoPP进行比较。8、设计电路设计一个加法电路要求Vo=Vi1+2Vi2,并通过实验得以验证。而且对Vi1和Vi2来说，加法电路的输入电阻分别为20KΩ和10KΩ，搭接该电路，并自拟输入信号进行测量。9、仪用放大器要求放大倍数100倍左右，据此自行拟定仪用放大器中R1、R2、R3和RG的阻值，搭接电路后进行测量。加法Vi1（V）减法Vi1（V）Vi2（V）Vi2（V）Vo（V）Vo（V）