实验七 运算放大器及应用电路

实验七 运算放大器及应用电路

实验目的

1． 认识运算放大器的基本特征，通过仿真和测试了解运放基本参数，学会根据实际需

求选择运放； 2． 了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法；

实验内容： 一． 仿真实验 1. 运放基本参数

1） 电压传输特性

实验所得扫描曲线如下所示：

根据上图仿真可以看出其直流电压增益约为99.5987k。 为寻找线性工作区，扩大扫描范围，可得曲线如下： 根据图线得出其线性工作区范围为：-115.0160u~159.7444u

思考：

a. 当输入差模电压为0时，输出电压等于多少？若要求输出电压等于0，应如何施加

输入信号？为什么？ 当输入差模电压为0时，输出电压等于-3.35359V.若要输出电压为0，输入的信号应当为-3.35359V除以增益值。这样可以大致抵消输入电压为0时产生的输出信号。 b. 观察运放输出电压的最高和最低电压分析仿真结果的合理性。

最高电压约为13.3V，最低电压约为-14.8V。最大正电压的绝对值小于最小负电压的绝对值。由电路图可知，当IN+为很小的正电压时，输出电压可以为0，所以结果是合理的。 2） 输入失调电压

R1=1k,R2=10

R1=10k,R2=100

R1=100k,R2=1k

表7-1：R1=1k,R2=10

表7-2：R1=10k,R2=100

表7-3：R1=100k,R2=1k

思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的存在较大差异？在实际测量中，若输入失调电压小，需要通过测量输出电压并计算得到时，在电阻上的选取需要注意什么问题？

答：因为运放的输出电阻并非无穷大，当外接电阻阻值很大，分压会变大，所以应该尽量选取阻值较小的电阻，使得运放工作在理想状态。

3） 增益带宽积GBP

根据下图电路进行频率扫描仿真，得到放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。计算运放的增益带宽积，在相频曲线中分别标记出主极点和次主极点频率。

主极点标记如下：

所以GBP=9.8509k*99.8986=984.09k 主极点与次极点标记如下：

主次极点频率分别为：9.8509k ,1.7833M

思考：若输入信号频率为100kHz，则采用LM358P能实现的最高增益是多少？ 其最高增益为GBP/f=9.48.

4） 转换速率（压摆率）

a. 电路图如下所示，输入为阶跃信号。通过瞬态分析得到输出电压，并采用标尺标记

出输出电压变化的斜率，即转换速率。

瞬态分析所得的图线如下所示：

其转换速率约为497.0373k

b.将电路图中的V3改为正弦信号，当频率为1kHz和10kHz，得到输入输出波形的比较图。 电路图如下：

输入信号频率为1kHz的输入输出波形图：

输入信号频率为10kHz的输入输出波形图：

观察波形可以看出10V的波形有明显的失真

思考：若输入为正弦信号，振幅为10V，直流电压呀为0。根据结论:的最大输入信号频率为多少？

/

2. 运放构成的应用电路 1） 反相放大器

下图所示为运放构成的反相放大器，按照图中参数进行瞬态仿真，采用Tektronix示波器观察各个节点波形。提交频率为10Hz、100Hz、1kHz下的节点3、节点4、节点5的波形截图，测量输出电压的峰峰值。

=49.70kHz

,则允许

10Hz输出波形：

100Hz输出波形：

1kHz输出波形：

频率为10Hz和100Hz时的输出电压为9.99V，1kHz时输出电压为9.94V。

运放的单位增益带宽积是一定的，当输入频率增大时，增益会减小一些。所以相对来说1kHz时的输出电压较小。 思考：

a. 在不同输入信号频率情况下，负载电压（节点4）幅度一样吗？为什么？ 不一样，因为运放内部有电容，容抗受频率影响，故输出电压幅度不一样。

b. 输入信号频率为1kHz时，运放负端电压的相位和输出信号相位相差大约多少度？为

什么？ 相位差小于 180°，此运放并非理想运放。

2)电压转换电路

a.在下图参数条件下，扫描直流电压V1，提交输出电压V4随电压源电压V2的变化曲线，并根据仿真结果确定电压源电压V2的最低电压。

由仿真结果可以确定V2的最低电压为4.8992V.

b.扫描负载电阻R3，提交输出电阻V4随电源电压V2的变化曲线。

由仿真结果可以看出电源电压越大，仿真出来的结果越接近于3V.可能是因为电源电压较小时限制了运放的工作区，使得输出的电压达不到运放进行电压转换时所需的电压。

思考：上图所示电路如何改造后就能实现恒定电流输出？

在R3下面接一个比例式电流镜。

3）整流电路

如图所示为运放组成的整流电路，请写出输出电压表达式，并画出传输特性。振幅分别为100mV、10mV、1mV时，请通过瞬态仿真得到输出电压波形，与输入信号同时显示。

V3=0，D1,D2截止，Vo=0

V3>0, D1导通，D2截止，Vo=V3

V3

100Mv

10mV

1mV

思考：在小信号输入时，如振幅1mV，输出波形会严重失真，主要是什么原因导致这种失真？如何更改参数来减小这种失真？运放的非理想性

输入信号较小时，失调电压对电路的影响比较大。

可以成比例成倍数地减小电阻，比如将电阻都减小10倍。

二． 硬件实验

如图所示为脉冲宽度调制电路。

实验任务：

1. 若二极管1N3064的导通电压为

值电压的表达式。 V oh=

V ol= -*R6/R1 *R6/R1 ，请写出U2A输出的三角波电压正峰值和负峰

2. 写出U2A输出的三角波信号的周期表达式。

T=4*R2*R6*C1/R1

3. 在面包板上实验，提交节点8和节点10的示波器截图，并测量频率和峰峰值。

经计算得：

R2=8k，

R6=180k

4. 按照图中所示，施加调制信号V3，提交节点13和节点11的波形。

5. 将调制信号V3的交流幅度设置为0，通过连续改变调制信号的直流电压，观察并记

录LED1和LED2的亮度随该直流电压的变化情况，并给出合理解释。

输入直流电压为负值且小于大约-2000mV时只有LED1亮。当电压从-2000mV逐渐增大时，LED2慢慢变亮，LED1慢慢变暗。直到输入直流电压大约为2000mV时只有LED2亮。 此时U3A为电压比较器当输入直流电压为负值且小于-2000mV时负向端输入恒小于正向端输入，因此输出信号为正，只有LED1亮。同理，输入直流电压为正值且大于2000mV时，只有LED2亮。输入直流电压为在-2000mV与2000mV之间时，输出信号为一周期信号且在同一周期内有正有负，由于信号周期过小，因此LED1和LED2看起来都亮。

思考：PWM调制对三角波的线性度要求较高，上图电如何实现这种高线性度的？

电路是利用电容器的充放电过程中电流不变、电压线性增加这一特点来实现三角波的高线性度的。