运算放大器的基本应用

东南大学电工电子实验中心

实 验 报 告

课程名称：

第一次实验

实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 吴健雄学院 专 业：电类强化 姓 名： 号：

实 验 室: 同组人员： 无 实验时间：2012年03月23日 评定成绩： 审阅教师：

实验一 运算放大器的基本应用

一、实验目的：

1、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法； 2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、幅频特性、传输特性曲线、

带宽的测量方法； 3、 了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度

漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增

益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念； 4、 了解运放调零和相位补偿的基本概念；

5、 掌握利用运算放大器设计各种运算功能电路的方法及实验测量技能。 二、预习思考：

1、 查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释

参数含义。

2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10KΩ，将设计过程记录在预习报告上； （1） 仿真原理图

（2） 参数选择计算

因为要求|Av|=10，即|V0/Vi|= |-Rf/R1|=10,故取Rf=10R1,.又电阻应尽量大些，故取：R1=10kΩ，Rk=100 kΩ, RL=10 kΩ （3） 仿真结果

图中红色波形表示输入，另一波形为输出，通过仿真可知|V0/Vi|=9.77≈10，仿真正确。 3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2

（1）仿真原理图

（2）参数选择计算

利用反向求和构成减法电路，故可取R1=10kΩ，RF1=30kΩ，R3=10kΩ，R2=RF2=20kΩ （3）仿真结果

输入Ui2为振幅等于2V的方波，Ui1为振幅等于1V的方波，因为输出为振幅等于4V的方波，故可知仿真正确。 三、实验内容： 1、基本要求：

内容一：反相输入比例运算电路

(I) 图1.3中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//100kΩ。按图

连接电路，输入直流信号Ui分别为－2V、－0.5V、0.5V、2V，用万用表测量对应不同Ui时的Uo值，列表计算Au并和理论值相比较。其中Ui通过电阻分压电路产生。

实验结果分析：

由于运算放大器的输出会受到器件特性的限制，故当输入直流信号较大时，经过运放 放 大后的输出电压如果超过UOM，则只能输出UOM，根据数据手册可以看出，VCC=±15V时，输出电压摆幅UOM≈±13V~±14V。这就是为什么输入电压较低时测得的增益与理论值相近，而输入电压较大时，则与理论值相差较大。

(II) Ui输入0.2V、 1kHz的正弦交流信号，在双踪示波器上观察并记录输入输出波形，

在输出不失真的情况下测量交流电压增益，并和理论值相比较。注意此时不需要接电阻分压电路。

（a）双踪显示输入输出波形图

（b）交流反相放大电路实验测量数据

交流反相放大电路实验测量数据

实验结果分析：

从图中可以看出输入输出信号的相位相差180，这符合反相放大器的特性，又输入与输出信号的有效值之比为10.3，与理论值相近，故可知该电路是一个反向比例放大电路。

(III) 输入信号频率为1kHz的正弦交流信号，增加输入信号的幅度，测量最大不失真输

出电压值。重加负载（减小负载电阻RL），使RL＝220Ω，测量最大不失真输出电压，并和RL＝100 kΩ数据进行比较，分析数据不同的原因。（提示：考虑运算放大器的最大输出电流）

实验结果分析：

（1）当电源电压为±15V时，运放的最大输出摆幅范围为±13V到±14V。

（2）当RL=100KΩ时，最大不失真输出电压在运算放大器的最大输出摆幅范围内；而当RL=220 Ω时，则最大不失真输出电压小了很多，由数据手册可知，741运放的最大输出电流IOS 为±25mA，故当负载为220Ω时，负载上最大的电压为±5.5V，显然实验结果与理论值相近。

(IV) 用示波器X-Y方式，测量电路的传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。

（a）传输特性曲线图（请在图中标出斜率和转折点值）

（-1.4，14.1）

斜率K=(14.1+13.8)/(-1.4-1.4)=-10.2

（1.4，-13.8）

（b）实验结果分析：

传输特性的斜率为-10.2，这与运放的增益相近，故可知斜率即为运放的增益，而转折点的值14.1以及13.8则为当VCC=15V时，运放的输出电压摆幅。 (V) 电源电压改为±12V，重复(3)、(4)，并对实验结果结果进行分析比较。 （a） 自拟表格记录数据

重复试验内容（3）

（-1.2，12）

斜率K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10

（1.0，-10）

（b) 实验结果分析：

重复内容（3）：当R=100kΩ时，最大不失真输出电压与运算放大器的输出电压摆幅相近（注：此时输出电压摆幅由于运放的VCC变小，故其也变小）；

而当R=220Ω时，由于受到最大输出电流的影响，故最大不失真输出比R=100kΩ时的最大不失真输出电压小了很多，显然这与内容（3）的结果一致。

重复内容（4）：当电源电压改为±12V时，传输特性曲线基本与内容（4）一致，斜率仍旧表示电压增益，转折点为输出电压摆幅。

(VI) 保持Ui＝0.1V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率

fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。 （a）双踪显示输入输出波形图

Vpp=300mv

Vpp=2.2V

（b

（C）实验结果分析： （1）查阅手册可知放大电路上限频率和增益的乘积为0.7~1.6MHz，显然测量结果与

理论情况相符合。

（2）通过观察波形可知，当频率达到上限频率时，此时增益相比于理论值有所下降，且输入输出信号的相位差也发生了变化 (VII) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的fH，逐步增加输入信号幅度，观察输出波

形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），记录该点的输入、输出电压

值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。 （a）双踪显示输入输出波形图

Vpp=0.632V

Vpp=3.1V

（b）

（c）实验结果分析：

由于输出信号近似为三角波，因此只需要计算输出波形斜率就可得到转换速率。计算结果为0.558 V/μs与手册提供的理论值0.5 V/μs相近，故实验正确。

(VIII) 输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波

形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计

算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法）。 （a）双踪显示输入输出波形图

Vpp=2.24V

Vpp=19.2V

（b）

由于输出波形为三角波，故只需计算三角波的斜率便可知转换速率，计算结果为0.691V/us；同时运算放大器应用中，当频率较高，输出信号幅度较大时必须考虑转换速率的影响。

(IX) RF改为10 kΩ，自己计算RP的阻值，重复（6）（7）。列表比较前后两组数据的差别，

从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。 重复（6）： 保持Vi＝0.2V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。

（a）双踪显示输入输出波形图

Vpp=0.592V

Vpp=0.44V

（b）

（c）实验结果分析：

（1）相比于内容（6）因为增益带宽积为一常数，而现在增益减小了（由于RF 变小）故带宽应变大即上限频率变大，显然与实验结果相符符合。

（2）通过观察波形可知，当频率达到上限频率时，此时增益相比于理论值有所下降，且输入输出信号的相位差也发生了变化。

重复（7）：

（a）双踪显示输入输出波形图

Vpp=1.00V

Vpp=0.52V

（b）

（c）实验结果分析：

输出信号电压对时间求导可得到电压变化率（即为转换速率）。由于输出信号为近似

三角波，因此只需要计算输出波形斜率即可。同时由于转换速率一定，故相比于内容（7

）由于上限频率增大了，故输出信号幅值应下降。

（d）总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响： 首先根据设计中的增益和上限频率的计算出增益带宽积， 然后根据输出电压的幅度和上限频率计算转换速率。 内容二：

设计电路满足运算关系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器Ui1为1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V（峰峰值）的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信号，用示波器观察输出电压Uo的波形，画出波形图并与理论值比较。实验中如波形不稳定，可微调Ui2的频率。 （a）双踪显示输入输出波形图 仿真波形：

实验波形：

（b) 实验结果分析： 通过观察输出波形可知，虽然输出波形与理论波形有一定误差，但是所得波形基本满足关系Uo=-2Ui1+3Ui2且与仿真波形一致，故设计合理。

2、提高要求：

设计一个比例-积分-微分运算电路。满足运算公式

uo(t)(1

1100

100ui(t)dt

110000

dui(t)dt

）

写出具体的设计过程，比例、积分、微分的系数可以有所不同，请考虑不同的系数对设计输出有何影响？

（1）设计过程：由于课本中只是分别介绍比例、积分、微分电路，倘若采用分别得到

比例，积分，微分的结果后在相加，则所需器件较多，显然不合实际，故采用一个运放，将比例、积分、微分融合在一个电路中（如下仿真电路图）在复频域中，应用拉氏变换可得传

Rf



R1SC1

1SC

f

递函数为A(S)

UO(S)Ui(S)

/(R1

1SC1

()

RfR1



C1C

f



1SR1C

f

SRfC1)

其中

RfR1



C1Cf

为比例系数，

1R1C

f

为积分系数；RfC1为微分系数

经多次仿真过后最终选择Rf=R1=100kΩ，Cf=100nf，C1=1nf

（2）仿真电路图为：

（3）仿真波形：

（4）实验波形：

（5） 实验结果分析：

通过观察波形可知实验波形与仿真波形基本一致，图中振荡部分正是由于积分与微分共同作用的结果，故实验正确。 3、创新实验：

运用放大器的线性特性自行设计一个有意义的电路。

运用放大器设计一个求解二元一次方程组

y(2x10)y(10x2)

的电路：

首先运用两个运放，采用加法电路长生y(2x10)和y(10x2)，接着通过一个减法电路判断两个y值是否相等，若相等则输入的电压Ui即为所求的x值。

具体电路如下：

由于时间关系，并未在实验中亲自搭出电路以检验是否正确。 四、实验体会：

实验前总以为此次运放的基本应用应该和书本的内容差不多，对于老师在课上再上强调的计算后选参数这个环节十分重要体会不深，以为只要满足关系便可以，可是在做内容二：设计电路满足运算关系Uo=-2Ui1+3Ui2时便遇到了困难，由于示波器的输出电阻比较大，导致负载上获得电压收到影响，以致示波器最后观察到波形的峰峰值仅为6点几伏，而当选用的电阻比较大时，则的到结果便于理论值相近。故在做模电实验时，参数的选择十分重要，这单在提高部分的实验中也让我们感受很深。相信经过此次实验，今后实验必定会更加认真。