東南大學(xué)模電試驗(yàn)運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

1、LimsEER電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：模擬電子電路實(shí)驗(yàn)第1次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用院（系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)：電類強(qiáng)化班姓 名：學(xué) 號(hào)：610142實(shí)驗(yàn)室:_實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016 年 4月10日評(píng)定成績(jī)：審閱教師：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法等電路的設(shè)計(jì)方法；2. 熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法；3. 了解運(yùn)算放大器的主要直流參數(shù)（輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、溫度漂移、共模抑制比，幵環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻 等）、交流參數(shù)（增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率等）和極限參數(shù)（大差

2、模輸入電壓、大共模輸入電壓、大輸出電流、大電源電壓等）的基本概念;4. 熟練掌握運(yùn)算放大電路的增益、幅頻特性、傳輸特性曲線的測(cè)量方法;5. 掌握搭接放大器的方法及使用示波器測(cè)量輸出波形。預(yù)習(xí)思考1. 查閱LM324運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限 參數(shù)，解釋參數(shù)含義。LM324參數(shù)值單位含義直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓(Vos) (OffsetVoltage )3mV一個(gè)理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為 0時(shí)，輸出電 壓也應(yīng)為0。但實(shí)際上它的差分輸入級(jí)很難做 到完全對(duì)稱。通常在輸入電壓為 0時(shí)，存在一 定的輸出電壓。輸入偏置電流(In putbiascurre nt)20nA輸入偏置

3、電流保證放大器工作在線性范圍，為 放大器提供直流工作點(diǎn)。輸入失調(diào)電流(In put offsetcurre nt)50nA在電流反饋運(yùn)放中，輸入端的不對(duì)稱特性意味 著兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等的。這兩個(gè)偏 置電流之差為輸入失調(diào)電流。溫度漂移(OffsetDrift)7uV/ C由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是 產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因，因此也稱零點(diǎn) 漂移為溫度漂移，簡(jiǎn)稱溫漂。共模抑制比(CMRR)80dB放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù) Aud與對(duì)共 模信號(hào)的電壓放大倍數(shù) Auc之比，稱為共模抑 制比。幵環(huán)差模電壓增益指不帶反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的狀態(tài)下在輸入功率相等的 條件時(shí)，實(shí)際天線與理想的輻

4、射單元在空間同 一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。差模輸入電阻差模輸入電阻是指輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸 入電阻。為運(yùn)放幵環(huán)條件下，從兩個(gè)差動(dòng)輸入 端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)電阻。差模輸出電阻負(fù)載幵路時(shí)，從輸入端向放大電路看進(jìn)去的交 流等效阻抗。交流參數(shù)增益帶寬積(GBW)1.2MHz增益帶寬積是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器的性能的一 個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。轉(zhuǎn)換速率(SlewRate)0.5V/u s運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)(含階躍 信號(hào))輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端 測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。極限參數(shù)最大差模輸入電壓32V差模輸入電壓的最大值最大共模輸入電壓28V共模輸入電壓的最大值最大

5、輸出電流60mA輸出電流的最大值最大電源電壓30V電源電壓的最大值2. 設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|AV|=10, Ri10K?, RF=100 k?,并用multisim 仿真。其中分壓電路由100k ?的電位器提供，與之串聯(lián)的510?電阻起限流的作用。3. 設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例放大器，要求： |AV|=11，Ri10K?，RF=100 k?，并用 multisim 仿真。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 基本要求內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（預(yù)習(xí)時(shí)，查閱LM324運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義）1OUTl丿4OUT1141IN-2134IN-1

6、IN+3124IN+VCC 斗11Vee2IN+5103IN+2IN-693IN-2OUT78aourMOP VIEW)圖1.1反相輸入比例運(yùn)算電路LM324管腳圖1）圖 1.1 中電源電壓土 15V, R1=10kQ，RF=100 kQ，RL= 100 k Q，R吐10k/100k Q。按圖連接電路，輸入直流信號(hào)Ui分別為一2V、一 0.5V、0.5V、2V,用萬(wàn)用表測(cè)量對(duì)應(yīng)不同 Ui時(shí)的Uo值，列表計(jì)算Au并和理論值相比較。其中Ui通過電阻分壓電路產(chǎn)生Ui/VUo/VAu測(cè)量值理論值-213.365-6.6825-0.55.06-10.12-100.5-4.92-9.84-102-13.9

7、64-6.982分析：根據(jù)數(shù)據(jù)表格可知，當(dāng)Ui小于1.5V時(shí)，放大倍數(shù)與理論值10倍基本一致；當(dāng)超過1.5V時(shí)，如表格中的2V，其放大后的理論值 Uo應(yīng)為-20V，但是由于 電源電壓為+15V和-15V，根據(jù)放大器的性質(zhì)，不能提供比電源電壓更高的電壓， 所以最大也只能在13-14V，比電源電壓略小1-2V o2）Ui輸入0.2V （有效值）、1kHz的正弦交流信號(hào)，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測(cè)量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時(shí)不需要接電阻分壓電路?？梢钥吹?，此時(shí)輸入電壓有效值為215mV輸出電壓有效值為 2.01V，放大倍數(shù)基本上與理論值10倍相符，而且

8、可以看到，此時(shí)輸出與輸入波形相位相反，符合反 向放大比例電路的作用3）輸入信號(hào)頻率為 1kHz 的正弦交流信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失真輸出電壓值。此時(shí)輸入電壓的有效值為 1.01V ，輸出電壓的有效值為 10.0V ，仍滿足 10 倍的放大 倍數(shù)。但可以看到，輸出電壓的波峰部分已開始變形，變得較平，說明已經(jīng)達(dá)到了 最大不失真的電壓值，而隨后增大輸入電壓，觀察到輸出電壓的放大倍數(shù)也漸漸小 于 10 倍，說明輸出電壓有效值為 10V 時(shí)為最大不失真電壓。4）用示波器 X-Y 方式，測(cè)量電路電壓的傳輸特性曲線（教師當(dāng)堂驗(yàn)收） ，計(jì)算傳 輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。注：由于拍攝時(shí)使用的是1kH

9、z,所以圖像右下角有重影的部分，事實(shí)是當(dāng)調(diào)整為100-500Hz 時(shí)，圖像會(huì)很清晰，但數(shù)據(jù)仍然不變，特此說明。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)上限 13.30V 和下限 -13.80V 時(shí)，電壓便不再變 化，呈現(xiàn)出水平的直線，這表明了最大輸出電壓需滿足低于電源電壓 1-2V 的條 件。同時(shí)可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在 -1.270V到1.510V之間時(shí)，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜 線，通過計(jì)算得到斜率為 -9.748 ，這與理論的放大倍數(shù) -10 十分接近。5）電源電壓改為土 12V,重復(fù)、，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。當(dāng)電源電壓改為正負(fù)12V時(shí)，理論上最大不失真電壓將相應(yīng)的減小，而X-Y圖像中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上下限

10、電壓也會(huì)相應(yīng)減小，斜率將會(huì)不變，而事實(shí)也的確是這樣。此時(shí)輸入電壓的有效值為 821mV輸出電壓的有效值為 8.08V，略微小于10倍的放大倍數(shù)。但可以看到，輸出電壓的波峰部分已開始變形，變得較平，說明已經(jīng)達(dá)到 了最大不失真的電壓值，而隨后增大輸入電壓，觀察到輸出電壓的放大倍數(shù)也漸漸 小于 10倍，說明輸出電壓有效值為 8.08V 時(shí)為最大不失真電壓。注：此時(shí)已調(diào)整為100Hz,圖像很清晰，而且無(wú)重影，與之前1kHz的圖像形成鮮明對(duì)比。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)上限10.90V和下限-11.50V時(shí)，電壓便不再變化，呈現(xiàn)出水平的直線，這表明了最大輸出電壓需滿足低于電源電壓1-2V的條件。同時(shí)

11、可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在-1.030V到1.150V之間時(shí)，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜線，通過計(jì)算得到斜率為 -10.275 ，這與理論的放大倍數(shù) -10 十分接近。斜率基本 不變。6）重新加負(fù)載（減小負(fù)載電阻 RL），使RL = 220Q，測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和RL= 100 k Q數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運(yùn)算放大器的最大輸出電流） 。當(dāng)RL=220?時(shí)，此時(shí)電源電壓為正負(fù) 15V,測(cè)量出來(lái)的最大不失真電壓有效值為5.58V，比RL=100k?的最大不失真電壓值 10.0V小了將近5V。原因分析：由于輸出電壓是通過運(yùn)放的輸出電流乘以負(fù)載得到的，但運(yùn)放是有最大 輸出電流的限

12、制，這也就意味著當(dāng)負(fù)載很小的時(shí)候，運(yùn)放輸出電流達(dá)到最大值后， 輸出電壓將會(huì)受限。由LM324的數(shù)據(jù)表知最大輸出電流為 60mA通過計(jì)算可知V二 60mAX220Q = 13.2V理論上的最大值為13.2V，小于100k?時(shí)的最大值15V （電源電壓），所以實(shí)際上也會(huì)小于100k ?時(shí)的10.0V。注：實(shí)際使用 220?的電阻作為負(fù)載時(shí)，電路工作一段時(shí)間后，此電阻產(chǎn)熱很大， 消耗的功率也很大，比較直觀的表示為燙手。內(nèi)容二：1）設(shè)計(jì)一個(gè)同相輸入比例運(yùn)算電路，放大倍數(shù)為21 ,且RF=100 k Q。輸入信號(hào)保持Ui = 0.1Vpp不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出 上限頻率 f

13、H 并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分 析。此時(shí)的輸入電壓峰峰值為 112mV輸出電壓峰峰值為 2.32V，放大倍數(shù)為20.71， 與要求的21倍基本一致。此時(shí)的頻率為 1kHz，下面幵始提高頻率，測(cè)量上限截止 頻率?？梢钥吹?，當(dāng)頻率提高到 71kHz時(shí)，輸入電壓峰峰值為106mV基本不變；輸出電 壓峰峰值為1.64V，放大倍數(shù)為15.5倍，與上限截止頻率要求的放大倍數(shù)21 X 0.707 = 14.847基本一致，而利用 multisim 仿真中掃頻儀可得，上限截止頻率大約為50kHz，考慮到理論與實(shí)際的誤差，結(jié)果基本相符。調(diào)整時(shí)基旋鈕使波形盡可能展開便于測(cè)量，通過光標(biāo)讀

14、數(shù)和計(jì)算可知，相位差為滯 后相位2.320?=i47?x360= 59.32 由掃頻儀的相頻曲線仿真可知：理論值為58.921 ，與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果 59.32。非常接近。2）輸入信號(hào)為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點(diǎn)輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此 進(jìn)行計(jì)算和分析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法）。由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：？?？= 564?= 0.328?7?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。3）將輸入正弦交流信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的fH，逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形幵始變形（看起來(lái)不象正弦波了），記錄該點(diǎn)的輸入、輸出

15、電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率 值進(jìn)行比較。此時(shí)頻率為上限截止頻率 71kHz，輸出波形波峰部分較尖，已經(jīng)不太像正弦波了由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：？?？=崇鶴=0.374?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。4）RF改為10 k Q，注意調(diào)整RP的阻值，重復(fù)內(nèi)容二（1） （2）0列表比較前后 兩組數(shù)據(jù)的差別，從同相比例放大器增益計(jì)算、增益帶寬積等角度對(duì)之進(jìn)行分析。并總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對(duì)電路性能的影響。由計(jì)算可知此時(shí)放大倍數(shù)為 3倍同上，可以計(jì)算出此時(shí)的相位差為滯后137.8 o由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：？?= 3.180?= 0.454?

16、/?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。列表比較電阻RF上限截止頻率fH相位差（滯后）轉(zhuǎn)換速率100k?71kHz59.32 0.328V/US10k?602.4kHz137.8 0.454V/us100可以看出，當(dāng)電阻為10k?時(shí)，上限截止頻率、相位差和轉(zhuǎn)換速率都比電阻為k?時(shí)大。由于LM324的增益帶寬積為1.2MHz,這也就意味著增益和帶寬的乘積的最大值為1.2MHz,放大倍數(shù)越小，增益帶寬越大。如果超過該數(shù)值，增益的倍數(shù)就會(huì)相應(yīng)減 小。通過計(jì)算21 X 0.707 X 71kHz = 1.05MHz3 X 0.707 X 602.4kHz 二 128MHz得到的增益帶寬積基本與 1.2MHz

17、一致內(nèi)容三:設(shè)計(jì)電路滿足以下加法運(yùn)算關(guān)系（預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)計(jì)好電路圖，并用Multisim 軟件仿? = - 2?1 + 5?2Ui1接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獲?。M示波器的校準(zhǔn)信號(hào)為1KHz 1V （峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器的校準(zhǔn)信號(hào)為1KHz 5V （峰峰值）的方波信號(hào)），Ui2接入5kHz，0.1V （峰峰值）的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電 壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào)Ui2的頻率。通過仿真可得:通過示波器顯示為：通過比較，數(shù)據(jù)基本一致，并且符合題意2. 提高要求設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算電路，滿足運(yùn)算公式?（? = 100?（?）+ 100 /?

18、（?）? +1 ?(?) 10000 ?1）寫出具體的設(shè)計(jì)過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請(qǐng)考慮不同的系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)輸出有何影響？考慮到PID各波形幅度對(duì)整體波形的影響，此處調(diào)整了PID的系數(shù)，調(diào)整為?(?)=1016 ?(?)=預(yù)？?(？)+ 10000 /?( ?) ?+ 10- 62）分別觀察比例-積分，比例-微分，積分-微分，比例-積分-微分運(yùn)算電路的波 形，并進(jìn)行分析比較，各算式系數(shù)對(duì)波形的影響。比例-積分（PI）比例-微分（PD） 積分-微分（ID） 比例-積分-微分（PID）PID各部分影響:比例：使波形呈現(xiàn)雙極性方波形態(tài)積分：使波形呈現(xiàn)三角波形態(tài) 微分：使波形呈現(xiàn)上下振蕩衰減且頻率高的三角波形態(tài)四、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1. 模電第一