集成運(yùn)放同相放大器的帶寬測(cè)量(設(shè)計(jì)與仿真)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、集成運(yùn)放同相放大器的帶寬測(cè)量（設(shè)計(jì)與仿真）實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉放大器幅頻特性的測(cè)量方法。2、掌握集成運(yùn)算放大器的帶寬與電壓放大倍數(shù)的關(guān)系。3、了解掌握Proteus軟件的基本操作與應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)線路及原理1、實(shí)驗(yàn)原理（1）同相放大器同相放大器又稱同相比例運(yùn)算放大器，其基本形式如圖所示。輸入信號(hào)Ui經(jīng)R2加至集成運(yùn)放的同相端。R為反饋電阻，輸出電壓經(jīng)Rf及Ri組成的分壓電路，取Ri上的分壓作為反饋信號(hào)加至運(yùn)放的反相輸入端，形成了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋。R2為平衡電阻，其值為R2=Ri/Rto電壓放大倍數(shù)為Auf大小成比例關(guān)系。比例系數(shù)（即U-0iRf。輸出電壓與輸入電壓相位相同,UiRi電

2、壓放大倍數(shù)）等于1+Rf/Ri,與運(yùn)放本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。圖同相放大器圖某放大電路的幅頻特性（2）基本概念1）帶寬運(yùn)放的帶寬是表示運(yùn)放能夠處理交流小信號(hào)的能力。運(yùn)放的帶寬簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用來(lái)衡量一個(gè)放大器能處理的信號(hào)的頻率范圍，帶寬越高，能處理的信號(hào)頻率越高，高頻特性就越好，否則信號(hào)就容易失真。圖所示為某放大電路的幅頻響應(yīng)，中間一段是平坦的，即增益保持不變，稱為中頻區(qū)（也稱通帶區(qū)）。在fL和fH兩點(diǎn)增益分別下降3dB,而在低于fL和高于fH的兩個(gè)區(qū)域，增益隨頻率遠(yuǎn)離這兩點(diǎn)而下降。在輸入信號(hào)幅值保持不變的條件下，增益下降3dB的頻率點(diǎn)，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一半，通常稱為半功率點(diǎn)。一般把幅頻響

3、應(yīng)的高、低兩個(gè)半功率點(diǎn)間的頻率定義為放大電路的帶寬或通頻帶，即BW=fH-fLo式中fH是頻率響應(yīng)的高端半功率點(diǎn)，也稱為上限頻率，而fL則稱為下限頻率。通常有fLVVfH,故有BWfH。2）單位增益帶寬運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個(gè)頻率可變恒幅正弦小信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端，隨著輸入信號(hào)頻率不斷變大，輸出信號(hào)增益將不斷減小，當(dāng)從運(yùn)放的輸出端測(cè)得閉環(huán)電壓增益下降3db（或是相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號(hào)的）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率乘以閉環(huán)放大倍數(shù)1所得的增益帶寬積。單位增益帶寬是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)于正弦小信號(hào)放大時(shí)，單位增益帶寬等于輸入信號(hào)頻率與該頻率下的最大增益的乘積。3）電壓增益G電壓增益表示的是放大電

4、路對(duì)輸入信號(hào)的放大能力，使用的表示方法是分貝表示法，其定義為：Gu=20lg（Uo/Ui）=20lgAu,單位是分貝，用符號(hào)dB表示。4）放大器的幅頻特性放大電路輸出信號(hào)的幅度和相位，會(huì)隨著信號(hào)頻率的變化發(fā)生變化，一般來(lái)說(shuō)，在放大電路的低頻段與高頻段和中頻段相比，信號(hào)的幅度會(huì)下降，也會(huì)產(chǎn)生一定的相移。這就是放大電路的頻率特性，它分為幅頻特性和相頻特性兩方面。幅頻特性是描繪輸入信號(hào)幅度固定，輸出信號(hào)的幅度隨頻率變化而變化的規(guī)律。5）帶寬增益積這是衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)，表示增益和帶寬的乘積，這個(gè)乘積是一定的。6）本實(shí)驗(yàn)選用集成運(yùn)放芯片UA741,引腳圖如下圖所示。1*nuI12!m*匕I勺3-

5、Non-ir7erurij5-OfKetntjl26 -0LEtput.7 -工*圖UA741引腳圖引腳作用為：1、5腳為調(diào)零端；2腳為反相輸入端；3腳為同向輸入端；4較為負(fù)電源V-;6腳為輸出OUT;7腳為正電源V+;8腳空。2、實(shí)驗(yàn)線路圖實(shí)驗(yàn)線路三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否齊全，包括直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、萬(wàn)用表以及相應(yīng)的電源線、輸出線等，領(lǐng)取鐐子、剪刀各一把，面包板一塊，導(dǎo)線若干。2、根據(jù)老師所發(fā)的集成運(yùn)放芯片TL082CN查閱芯片引腳圖如下圖所示。圖TL082CN弓|腳圖芯片引腳功能如下表所示。表1TL082CN弓|腳功能腳號(hào)腳名功能1Output1輸出I2

6、Invertinginput1反向輸入13Noninvertinginput1正向輸入14vcc電源-5,_Non-invertinginput2正向輸入26Invertinginput2反向輸入27Output2-輸出28Vcc+_電源Output 1 E可27 Output 2Ncm-inverting input 1Inverting input 1 巨目 J averting input 2T Non-i averting input 210k, 20k,3、確定測(cè)試放大倍數(shù)Auf為2、3、4時(shí)的三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇Ri=R2=10k,Rf分別為30k,根據(jù)原理圖以及芯片引腳圖搭接電路，

7、同時(shí)注意走線平整、美觀。4、開(kāi)始搭接電路，首先在面包板上搭接同相放大電路。(1)將芯片TL082CN插在面包板上，注意引腳編號(hào)。R)接引腳3經(jīng)10k電(2)在引腳8引出+12V電源線，引腳4引出-12V電源線，引腳1通過(guò)30k電阻(即2,同時(shí)引腳1引出一根信號(hào)線接示波器，引腳2經(jīng)10k電阻接地，地線引出，引腳阻引出一根信號(hào)線接信號(hào)發(fā)生器。如下圖所示。圖面包板接線圖5、連接示波器、直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器和面包板上的電路，將面包板上引出的+12V、-12V電源線及地線與直流穩(wěn)壓電源相連，將示波器、信號(hào)發(fā)生器與引出的相應(yīng)信號(hào)線連接，并將示波器、信號(hào)發(fā)生器與直流穩(wěn)壓電源共地，如下圖所示。圖整體接線圖

8、6、搭接電路完畢，檢查電路搭接是否正確，檢查完畢后接通示波器、信號(hào)發(fā)生器與直流穩(wěn)壓電源的供電電源，開(kāi)始調(diào)試。7、調(diào)試直流穩(wěn)壓電源，使其輸出+12V、-12V電源，如下圖所示。圖直流穩(wěn)壓電源8、調(diào)試信號(hào)發(fā)生器，使其峰峰值為2V,即輸出幅值為1V的正弦信號(hào)，初始頻率100Hz，調(diào)節(jié)頻率開(kāi)始測(cè)試其帶寬。9、調(diào)試過(guò)程(1)剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)，出現(xiàn)了波形失真現(xiàn)象，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)芯片未插緊，地線連接時(shí)夾在了絕緣層上導(dǎo)致未能得出精確波形，經(jīng)過(guò)調(diào)整得出了理想波形。(2)調(diào)試時(shí)，通過(guò)保持輸入信號(hào)的幅值不變，在輸出不失真的情況下，逐漸增大輸入信號(hào)的頻率，到輸出信號(hào)為運(yùn)放輸入信號(hào)的倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率即為fL,根據(jù)B府

9、fL,既得帶寬。以Auf=4為例，輸出波形圖和帶寬顯示如下圖所示。圖波形輸出(Auf=4)圖帶寬顯木(Auf=4)當(dāng)Auf=1時(shí)，測(cè)得帶寬為，如下圖所示圖帶寬顯不（Auf=1）10、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。更換電阻Rf為10k,Auf=2;Rf為20k,Auf=3分別調(diào)試測(cè)量帶寬并記錄數(shù)據(jù)。11、在面包板上測(cè)試完成后，領(lǐng)取洞洞板、插腳等元件，根據(jù)原理圖焊接電路，如下圖所示（取Auf=3,Rf為20k）。圖焊接完成的電路12、焊接完成后，使用四路萬(wàn)用表測(cè)試焊點(diǎn)是否牢固，防止虛焊。將萬(wàn)用表調(diào)至蜂鳴檔，用兩個(gè)探針接觸引腳8與正電源插腳，發(fā)出蜂鳴聲說(shuō)明焊點(diǎn)牢固，其余焊點(diǎn)之間也同樣測(cè)試。測(cè)試完成后連接電路，驗(yàn)證效

10、果，連接好的電路如下圖所示。圖連接好的電路13、通電后，示波器顯示波形如下圖所示。電壓峰值為3V,放大了3倍，驗(yàn)證了電路焊接的正確性。圖示波器波形14、調(diào)試時(shí)，保持輸入信號(hào)的幅值不變，在輸出不失真的情況下，逐漸增大輸入信號(hào)的頻率，到輸出信號(hào)為運(yùn)放輸入信號(hào)的倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率為fL=,帶寬增益積為，如下圖所示四、仿真仿真電路如下圖所示。搭接電路時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路，在Protues中選擇通用集成運(yùn)放UA741、電阻可變電阻、正弦信號(hào)發(fā)生器、電壓探針、示波器、頻域分析圖表等元件。將放大器7和1腳分別接正、負(fù)12V電源，同相輸入端（3腳）通過(guò)R2接正弦信號(hào)，反相輸入端（2腳）通過(guò)R1接地，在通過(guò)R

11、V1接輸出端（6腳）。完成電路搭接后，添加示波器，并將放大器輸入端、輸出端（6腳）分別接入示波器的A、B兩端。添加頻域分析圖表，并在放大器6腳處添加一電壓探針，然后將此測(cè)量探針拖入頻域分析圖表中。仿真所需元器件清單如下表所示。圖仿真圖Ir.r.t-r|mj-iTtrLTuru二 SLJE EF- aNH-LZfSZS序號(hào)元件數(shù)量表2仿真電路元器件清單1運(yùn)算放大器UA7411210k電阻23100k可變電阻14地線15士12Vt源26正弦信號(hào)發(fā)生器17電壓測(cè)量探針28示波器19頻域分析圖表1仿真步驟如下：1、實(shí)驗(yàn)采用通用集成運(yùn)放UA741。調(diào)節(jié)可變電阻RV1=10K,正弦信號(hào)發(fā)生器頻率為20Hz

12、,電阻R1=R2=10k。圖示波器波形由公式Auf空1 Rf可算出詼2。Ri2、設(shè)置頻域分析圖表屬性如下圖所示圖屬性設(shè)置3、點(diǎn)擊頻域分析圖表上框，展開(kāi)圖表。再點(diǎn)擊運(yùn)行，圖表顯示如下圖AC1,IIPHILv,Z=frfq0*”1(0/慰的nn|q嗎圖頻域分析圖表中頻區(qū)約為6dB,我們找出增益下降3dB(約3dB)的頻率點(diǎn)，顯示此點(diǎn)處頻率約為505kHz,即帶寬BW505KHz。4、保持信號(hào)發(fā)生器頻率不變，分別設(shè)置可變電阻為20K、30K、40K、50K,再重復(fù)上述1、2步驟，可得到相對(duì)應(yīng)的電壓增益與帶寬。補(bǔ)充：根據(jù)老師提彳的芯片TL082重新進(jìn)行仿真，仿真圖如下圖所示：工=圖TL082仿真圖仿真

13、結(jié)果：(1)Rf=10k時(shí)圖二2示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1V,藍(lán)色波形表示輸出電壓Vo其幅值為2V。可以得(2)Rf=20k時(shí)圖Auf=3示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1V,藍(lán)色波形表示輸出電壓Vo其幅值為3V。可以得到其放大倍數(shù)Auf=3o帶寬顯示如下圖所示。圖Auf=3時(shí)的幅頻特性曲線(帶寬為(3) Rf=30k時(shí)圖Auf=4示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅彳t為1v,藍(lán)色波形表示輸出電壓Vo其幅值為4v。可以得到其放大倍數(shù)Auf=4。帶寬顯示如下圖所示。翳|FREQUENCYRESPONSE-PROSPLCEI.叵文件出視圖而一圖表法

14、項(xiàng)m（H）FFEQLJENCr RESPONSEJ展篇蓑J?寧、式冤鳥(niǎo)|錨FREQJ.DOMU20PJ少朋圖Auf=4時(shí)的幅頻特性曲線（帶寬為(4) Rf=0時(shí)liinX1JD3 t DInnl - -1二圖Auf=1示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅彳t為1v,藍(lán)色波形表示輸出電壓Vo其幅值為1v。可以得到其放大倍數(shù)Auf=i。帶寬顯示如下圖所示。圖Auf=1時(shí)的幅頻特性曲線（帶寬為五、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的儀器設(shè)備如下表所示。表3實(shí)驗(yàn)設(shè)備序號(hào)設(shè)備及元器件數(shù)量1直流穩(wěn)壓電源12F20A型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器13數(shù)字雙蹤示波器14銀子15剪刀16面包板17數(shù)字萬(wàn)用表18導(dǎo)線9

15、洞洞板110電烙鐵111焊錫絲六、元器件清單表4元器件清單序號(hào)設(shè)備及元器件數(shù)量110k電阻3220k電阻1330k電阻14運(yùn)算放大器TL0821七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析1、仿真數(shù)據(jù)記錄分析如下：1）采用UA741芯片仿真數(shù)據(jù)如下表所示:表5放大器的增益和帶寬（UA741）次數(shù)Auf帶寬BW(kHz)Auf*BW(kHz)12505101023335100534252100845199995561669962）分析分析表格中數(shù)據(jù)可以得到，電壓增益越大，帶寬越小，并且是非線性減小，帶寬增益積基本不變,為一定值。補(bǔ)充：當(dāng)采用TL082重新仿真時(shí)，記錄數(shù)據(jù)如下表所示：表6放大器的增益和帶寬（TL082）次數(shù)Auf帶寬BW(MHz)Auf*BW(MHz)112233442、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析表7放大器的增益和帶寬測(cè)量結(jié)果（TL082面包板測(cè)試記錄）次數(shù)Auf帶寬BW(MHz)Auf*BW(MHz)11223344分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電壓增益越大，帶寬越小，并且是非線性減小，帶寬增益積基本不變，為一定值，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。取Auf=3,當(dāng)焊接好電路后，測(cè)得帶寬BW