集成運放同相放大器的帶寬測量(設計與仿真)實驗報告

./集成運放同相放大器的帶寬測量〔設計與仿真實驗報告一、實驗目的1、熟悉放大器幅頻特性的測量方法。2、掌握集成運算放大器的帶寬與電壓放大倍數的關系。3、了解掌握Proteus軟件的基本操作與應用。二、實驗線路及原理1、實驗原理〔1同相放大器同相放大器又稱同相比例運算放大器,其基本形式如圖2.1所示。輸入信號Ui經R2加至集成運放的同相端。Rf為反饋電阻,輸出電壓經Rf及R1組成的分壓電路,取R1上的分壓作為反饋信號加至運放的反相輸入端,形成了深度的電壓串聯負反饋。R2為平衡電阻,其值為R2=R1//Rf。電壓放大倍數為。輸出電壓與輸入電壓相位相同,大小成比例關系。比例系數〔即電壓放大倍數等于1+Rf/R1,與運放本身的參數無關。圖2.1同相放大器圖2.2某放大電路的幅頻特性〔2基本概念1帶寬運放的帶寬是表示運放能夠處理交流小信號的能力。運放的帶寬簡單來說就是用來衡量一個放大器能處理的信號的頻率圍,帶寬越高,能處理的信號頻率越高,高頻特性就越好,否則信號就容易失真。圖2.2所示為某放大電路的幅頻響應,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兩點增益分別下降3dB,而在低于fL和高于fH的兩個區(qū)域,增益隨頻率遠離這兩點而下降。在輸入信號幅值保持不變的條件下,增益下降3dB的頻率點,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。一般把幅頻響應的高、低兩個半功率點間的頻率定義為放大電路的帶寬或通頻帶,即BW=fH-fL。式中fH是頻率響應的高端半功率點,也稱為上限頻率,而fL則稱為下限頻率。通常有fL<<fH,故有BW≈fH。2單位增益帶寬運放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個頻率可變恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端,隨著輸入信號頻率不斷變大,輸出信號增益將不斷減小,當從運放的輸出端測得閉環(huán)電壓增益下降3db〔或是相當于運放輸入信號的0.707時,所對應的信號頻率乘以閉環(huán)放大倍數1所得的增益帶寬積。單位增益帶寬是一個很重要的指標,對于正弦小信號放大時,單位增益帶寬等于輸入信號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路對輸入信號的放大能力,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dB表示。4放大器的幅頻特性放大電路輸出信號的幅度和相位,會隨著信號頻率的變化發(fā)生變化,一般來說,在放大電路的低頻段與高頻段和中頻段相比,信號的幅度會下降,也會產生一定的相移。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幅度固定,輸出信號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參數,表示增益和帶寬的乘積,這個乘積是一定的。6本實驗選用集成運放芯片UA741,引腳圖如下圖所示。 圖2.3UA741引腳圖 引腳作用為：1、5腳為調零端；2腳為反相輸入端；3腳為同向輸入端；4較為負電源V-；6腳為輸出OUT；7腳為正電源V+；8腳空。2、實驗線路圖2.4實驗線路三、實驗容及步驟1、檢查實驗設備是否齊全,包括直流穩(wěn)壓電源、數字信號發(fā)生器、雙蹤示波器、萬用表以及相應的電源線、輸出線等,領取鑷子、剪刀各一把,面包板一塊,導線若干。2、根據老師所發(fā)的集成運放芯片TL082CN查閱芯片引腳圖如下圖所示。圖3.1TL082CN引腳圖芯片引腳功能如下表所示。表1TL082CN引腳功能3、確定測試放大倍數Auf為2、3、4時的三組實驗數據,選擇R1=R2=10k,Rf分別為10k,20k,30k,根據原理圖以及芯片引腳圖搭接電路,同時注意走線平整、美觀。4、開始搭接電路,首先在面包板上搭接同相放大電路?！?將芯片TL082CN插在面包板上,注意引腳編號?！?在引腳8引出+12V電源線,引腳4引出-12V電源線,引腳1通過30k電阻〔即Rf接引腳2,同時引腳1引出一根信號線接示波器,引腳2經10k電阻接地,地線引出,引腳3經10k電阻引出一根信號線接信號發(fā)生器。如下圖所示。圖3.2面包板接線圖5、連接示波器、直流穩(wěn)壓電源、信號發(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、信號發(fā)生器與引出的相應信號線連接,并將示波器、信號發(fā)生器與直流穩(wěn)壓電源共地,如下圖所示。圖3.3整體接線圖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、信號發(fā)生器與直流穩(wěn)壓電源的供電電源,開始調試。7、調試直流穩(wěn)壓電源,使其輸出+12V、-12V電源,如下圖所示。圖3.4直流穩(wěn)壓電源8、調試信號發(fā)生器,使其峰峰值為2V,即輸出幅值為1V的正弦信號,初始頻率100Hz,調節(jié)頻率開始測試其帶寬。9、調試過程〔1剛開始調試時,出現了波形失真現象,經檢查,發(fā)現芯片未插緊,地線連接時夾在了絕緣層上導致未能得出精確波形,經過調整得出了理想波形?！?調試時,通過保持輸入信號的幅值不變,在輸出不失真的情況下,逐漸增大輸入信號的頻率,到輸出信號為運放輸入信號的0.707倍時所對應的輸入信號頻率即為fL,根據BW≈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3.5波形輸出〔Auf=4圖3.6帶寬顯示〔Auf=4當Auf=1時,測得帶寬為3.86MHz,如下圖所示。圖3.7帶寬顯示〔Auf=110、記錄實驗數據。更換電阻Rf為10k,Auf=2；Rf為20k,Auf=3分別調試測量帶寬并記錄數據。11、在面包板上測試完成后,領取洞洞板、插腳等元件,根據原理圖焊接電路,如下圖所示〔取Auf=3,Rf為20k。圖3.8焊接完成的電路12、焊接完成后,使用四路萬用表測試焊點是否牢固,防止虛焊。將萬用表調至蜂鳴檔,用兩個探針接觸引腳8與正電源插腳,發(fā)出蜂鳴聲說明焊點牢固,其余焊點之間也同樣測試。測試完成后連接電路,驗證效果,連接好的電路如下圖所示。圖3.9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,驗證了電路焊接的正確性。圖3.10示波器波形14、調試時,保持輸入信號的幅值不變,在輸出不失真的情況下,逐漸增大輸入信號的頻率,到輸出信號為運放輸入信號的0.707倍時所對應的輸入信號頻率為fL=1.45MHz,帶寬增益積為4.35MHz,如下圖所示。圖3.11帶寬顯示四、仿真仿真電路如下圖所示。搭接電路時,根據實驗線路,在Protues中選擇通用集成運放UA741、電阻可變電阻、正弦信號發(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12V電源,同相輸入端〔3腳通過R2接正弦信號,反相輸入端〔2腳通過R1接地,在通過RV1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4.1仿真圖表2仿真電路元器件清單序號元件數量1運算放大器UA7411210k電阻23100k可變電阻14地線15±12V電源26正弦信號發(fā)生器17電壓測量探針28示波器19頻域分析圖表1仿真步驟如下：1、實驗采用通用集成運放UA741。調節(jié)可變電阻RV1=10K,正弦信號發(fā)生器頻率為20Hz,電阻R1=R2=10k。圖4.2示波器波形由公式可算出Auf=2。2、設置頻域分析圖表屬性如下圖所示。圖4.3屬性設置3、點擊頻域分析圖表上框,展開圖表。再點擊運行,圖表顯示如下圖。圖4.4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,顯示此點處頻率約為505kHz,即帶寬505KHz。4、保持信號發(fā)生器頻率不變,分別設置可變電阻為20K、30K、40K、50K,再重復上述1、2步驟,可得到相對應的電壓增益與帶寬。補充：根據老師提供的芯片TL082重新進行仿真,仿真圖如下圖所示：圖4.5TL082仿真圖仿真結果：〔1Rf=10k時圖4.6Auf=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,藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為2V?？梢缘玫狡浞糯蟊稊礎uf=2。帶寬顯示如下圖所示。圖4.7Auf=2時的幅頻特性曲線<帶寬為2.24M>〔2Rf=20k時圖4.8Auf=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,藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為3V?？梢缘玫狡浞糯蟊稊礎uf=3。帶寬顯示如下圖所示。圖4.9Auf=3時的幅頻特性曲線<帶寬為1.40M>〔3Rf=30k時圖4.10Auf=4示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1v,藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為4v?？梢缘玫狡浞糯蟊稊礎uf=4。帶寬顯示如下圖所示。圖4.11Auf=4時的幅頻特性曲線<帶寬為1.00M>〔4Rf=0時圖4.12Auf=1示波器波形上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1v,藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為1v?？梢缘玫狡浞糯蟊稊礎uf=1。帶寬顯示如下圖所示。圖4.13Auf=1時的幅頻特性曲線<帶寬為4.75M>五、實驗設備實驗時所用的儀器設備如下表所示。表3實驗設備序號設備及元器件數量1直流穩(wěn)壓電源12F20A型數字合成函數信號發(fā)生器/計數器13數字雙蹤示波器14鑷子15剪刀16面包板17數字萬用表18導線若干9洞洞板110電烙鐵111焊錫絲若干六、元器件清單表4元器件清單序號設備及元器件數量110k電阻3220k電阻1330k電阻14運算放大器TL0821七、實驗數據及分析1、仿真數據記錄分析如下：1采用UA741芯片仿真數據如下表所示：表5放大器的增益和帶寬〔UA741次數Auf帶寬BW〔kHzAuf*BW<kHz>12505101023335100534252100845199995561669962分析分析表格中數據可以得到,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。補充：當采用TL082重新仿真時,記錄數據如下表所示：表6放大器的增益和帶寬〔TL082次數Auf帶寬BW〔MHzAuf*BW<MHz>114.754.75222.244.48331.404.20441.004.002、實驗數據記錄及分析表7放大器的增益和帶寬測量結果〔TL082面包板測試記錄次數Auf帶寬BW〔MHzAuf*BW<MHz>113.863.86222.004.00331.354.05441.054.20分析實驗結果可知,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,驗證了仿真結果的正確性。取Auf=3,當焊接好電路后,測得帶寬BW=1.45MHz,則帶寬增益積Auf*BW=4.35MHz,與前面測試結果相近,在忽略誤差的情況下驗證了實驗電路的準確性。附表輸出電壓與相應頻率記錄〔TL082面包板測試Auf=2Auf=3Auf=4f〔HzU0〔Vf〔HzU0〔Vf〔HzU0〔V10K2.0610K3.0810K4.00100K2.12100K3.20100K4.24200K2.1620