2016东南大学模电实验1运算放大器地基本应用.doc

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1、东南大学电工电子实验中心东南大学电工电子实验中心实实 验验 报报 告告课程名称：课程名称： 模拟电子电路实验模拟电子电路实验 第第 1 次实验次实验实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 吴健雄学院 专 业： 电类强化班 姓 名： 学 号： 610142 实 验 室: 实验组别： 同组人员： 实验时间：2016 年 4 月 10 日 评定成绩： 审阅教师： 一、一、实验目的实验目的1.熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法； 2.熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法； 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

2、，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（大差模输入电压、大共模输入电压、大输 出电流、 大电源电压等）的基本概念； 4.熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法； 5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器测量输出波形。二、二、预习思考预习思考1.查阅 LM324 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。LM324 参数参数值值单位单位含义含义直流参数直流参数输入失调电压(Vos) (Offset Voltage )3mV一个理想的运放，当输入电压为 0 时，输出电压也应为 0。但实

3、际上它的差分输入级很难做到完全对称。通常在 输入电压为 0 时，存在一定的输出电压。输入偏置电流(Input bias current)-20nA输入偏置电流保证放大器工作在线性范围，为放大器提供 直流工作点。输入失调电流(Input offset current)50nA在电流反馈运放中，输入端的不对称特性意味着两个偏置 电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调 电流。温度漂移(Offset Drift)7uV/ C由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂 移现象的主要原因，因此也称零点漂移为温度漂移，简称 温漂。共模抑制比(CMRR)80dB放大器对差模信号的电压放大倍

4、数 Aud 与对共模信号的 电压放大倍数 Auc 之比，称为共模抑制比。开环差模电压增益指不带反馈网络时的状态下在输入功率相等的条件时，实 际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的 功率密度之比。差模输入电阻差模输入电阻是指输入差模信号时，运放的输入电阻。 为运放开环条件下，从两个差动输入端看进去的动态电阻。差模输出电阻负载开路时，从输入端向放大电路看进去的交流等效阻抗。交流参数交流参数增益带宽积(GBW)1.2MHz增益带宽积是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。这 个参数表示增益和带宽的乘积。转换速率(Slew Rate)0.5V/us运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号

5、）输入 到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速 率。极限参数极限参数最大差模输入电压32V差模输入电压的最大值最大共模输入电压28V共模输入电压的最大值最大输出电流60mA输出电流的最大值最大电源电压30V电源电压的最大值2.设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri10K，RF=100 k，并用 multisim 仿 真。其中分压电路由 100k 的电位器提供，与之串联的 510 电阻起限流的作用。 3.设计一个同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri10K，RF=100 k，并用 multisim 仿 真。三、三、实验内容实验内容1.基本要求基本要求 内容一：内容一：

6、 反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅 LM324 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） 。图 1.1 反相输入比例运算电路 LM324 管脚图 1)图 1.1 中电源电压15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。 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。 AuUi/VUo/V测量值理论值-213.365-6.6825-0.55.06-10.12-100.

7、5-4.92-9.84-102-13.964-6.982分析：根据数据表格可知，当 Ui 小于 1.5V 时，放大倍数与理论值 10 倍基本一致；当超过 1.5V 时，如表格中的 2V，其放大后的理论值 Uo 应为-20V，但是由于电源电压为+15V 和- 15V，根据放大器的性质，不能提供比电源电压更高的电压，所以最大也只能在 13-14V， 比电源电压略小 1-2V。2)Ui 输入 0.2V（有效值） 、 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。 可以看到，此时输入电压有效值为

8、 215mV，输出电压有效值为 2.01V，放大倍数基本上与 理论值 10 倍相符，而且可以看到，此时输出与输入波形相位相反，符合反向放大比例电路 的作用。3)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。 此时输入电压的有效值为 1.01V，输出电压的有效值为 10.0V，仍满足 10 倍的放大倍数。 但可以看到，输出电压的波峰部分已开始变形，变得较平，说明已经达到了最大不失真的 电压值，而随后增大输入电压，观察到输出电压的放大倍数也渐渐小于 10 倍，说明输出电 压有效值为 10V 时为最大不失真电压。4)用示波器 X-Y 方式，测量电路电压的传

9、输特性曲线（教师当堂验收） ，计算传输特性 的斜率和转折点值。 注：由于拍摄时使用的是 1kHz，所以图像右下角有重影的部分，事实是当调整为 100- 500Hz 时，图像会很清晰，但数据仍然不变，特此说明。由图可知，输出电压当达到转折点上限 13.30V 和下限-13.80V 时，电压便不再变化，呈现 出水平的直线，这表明了最大输出电压需满足低于电源电压 1-2V 的条件。同时可以观察到 在当输入电压在-1.270V 到 1.510V 之间时，X-Y 图像呈现为斜线，通过计算得到斜率为- 9.748，这与理论的放大倍数-10 十分接近。5)电源电压改为12V，重复(3)、(4)，并对实验结果

10、进行分析比较。 当电源电压改为正负 12V 时，理论上最大不失真电压将相应的减小，而 X-Y 图像中的转折 点上下限电压也会相应减小，斜率将会不变，而事实也的确是这样。此时输入电压的有效值为 821mV，输出电压的有效值为 8.08V，略微小于 10 倍的放大倍数。 但可以看到，输出电压的波峰部分已开始变形，变得较平，说明已经达到了最大不失真的 电压值，而随后增大输入电压，观察到输出电压的放大倍数也渐渐小于 10 倍，说明输出电 压有效值为 8.08V 时为最大不失真电压。注：此时已调整为 100Hz，图像很清晰，而且无重影，与之前 1kHz 的图像形成鲜明对比。由图可知，输出电压当达到转折点

11、上限 10.90V 和下限-11.50V 时，电压便不再变化，呈现 出水平的直线，这表明了最大输出电压需满足低于电源电压 1-2V 的条件。同时可以观察到 在当输入电压在-1.030V 到 1.150V 之间时，X-Y 图像呈现为斜线，通过计算得到斜率为- 10.275，这与理论的放大倍数-10 十分接近。斜率基本不变。6)重新加负载（减小负载电阻 RL） ，使 RL220，测量最大不失真输出电压，并和 RL100 k 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） 。 当 RL=220 时，此时电源电压为正负 15V，测量出来的最大不失真电压有效值为 5.58V

12、， 比 RL=100k 的最大不失真电压值 10.0V 小了将近 5V。原因分析：由于输出电压是通过运放的输出电流乘以负载得到的，但运放是有最大输出电 流的限制，这也就意味着当负载很小的时候，运放输出电流达到最大值后，输出电压将会 受限。由 LM324 的数据表知最大输出电流为 60mA，通过计算可知 = 60 220 = 13.2 理论上的最大值为 13.2V，小于 100k 时的最大值 15V（电源电压） ，所以实际上也会小于 100k 时的 10.0V。注：实际使用 220 的电阻作为负载时，电路工作一段时间后，此电阻产热很大，消耗的 功率也很大，比较直观的表示为烫手。 内容二：内容二：

13、 1)设计一个同相输入比例运算电路，放大倍数为 21，且 RF=100 k。输入信号保持 Ui0.1Vpp 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。 此时的输入电压峰峰值为 112mV，输出电压峰峰值为 2.32V，放大倍数为 20.71，与要求的 21 倍基本一致。此时的频率为 1kHz，下面开始提高频率，测量上限截止频率。可以看到，当频率提高到 71kHz 时，输入电压峰峰值为 106mV，基本不变；输出电压峰峰 值为 1.64V，放大倍数为 15.5 倍，与上限截止频率要求的放大倍数21 0.707 =

14、 14.847 基本一致，而利用 multisim 仿真中扫频仪可得，上限截止频率大约为 50kHz，考虑到理论与实际的误差，结果基本相符。调整时基旋钮使波形尽可能展开便于测量，通过光标读数和计算可知，相位差为滞后相位 =2.320 14.08 360= 59.32由扫频仪的相频曲线仿真可知：理论值为 58.921，与实际测量的结果 59.32非常接近。 2)输入信号为占空比为 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） 。 由转换速率的计算公式得：=1.64 5=

15、 0.328/与数据表上的 0.5 基本一致。3)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。此时频率为上限截止频率 71kHz，输出波形波峰部分较尖，已经不太像正弦波了由转换速率的计算公式得：=2.64 7.05= 0.374/与数据表上的 0.5 基本一致。4)RF 改为 10 k，注意调整 RP 的阻值，重复内容二（1） （2） 。列表比较前后两组数 据的差别，从同相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之

16、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。 由计算可知此时放大倍数为 3 倍。同上，可以计算出此时的相位差为滞后 137.8。由转换速率的计算公式得：=1.58 3.480= 0.454/与数据表上的 0.5 基本一致。列表比较电阻 RF上限截止频率 fH相位差（滞后）转换速率100k71kHz59.320.328V/us10k602.4kHz137.80.454V/us可以看出，当电阻为 10k 时，上限截止频率、相位差和转换速率都比电阻为 100 k 时大。由于 LM324 的增益带宽积为 1.2MHz，这也就意味着增益和带宽的乘积的最大值为 1.2

17、MHz，放大倍数越小，增益带宽越大。如果超过该数值，增益的倍数就会相应减小。 通过计算21 0.707 71 = 1.05 3 0.707 602.4 = 1.28得到的增益带宽积基本与 1.2MHz 一致。内容三：内容三： 设计电路满足以下加法运算关系（预习时设计好电路图，并用 Multisim 软件仿真) ： = 21+ 52Ui1 接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器的校准信号为 1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器的校准信号为 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

18、，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。通过仿真可得：通过示波器显示为：通过比较，数据基本一致，并且符合题意。 2.提高要求提高要求设计一个运算电路，满足运算公式()=101 100()+ 100() +1 10000()1)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？ 考虑到 PID 各波形幅度对整体波形的影响，此处调整了 PID 的系数，调整为()=101 100()+ 10000() + 10- 6()2)分别观察比例-积分，比例-微分，积分-微分，比例-积分-微分运算电路的波形，并进行 分析比较，各算式

19、系数对波形的影响。 比例-积分（PI）比例-微分（PD）积分-微分（ID）比例-积分-微分（PID）PID 各部分影响： 比例：使波形呈现双极性方波形态 积分：使波形呈现三角波形态 微分：使波形呈现上下振荡衰减且频率高的三角波形态四、四、实验总结实验总结1.模电第一个实验，从着手设计到现在完成报告，前前后后花了两周时间，也从这里面 学到不少。 2.以上所有内容均为原创，包括设计的模板，照着老师的 PDF 实验要求，依葫芦画瓢， 一条一条排版，从这里面也自学到了不少 word 方面排版的知识。 3.第一次调试硬件时以为电阻两边的电压会相等，停留在数电高低电平的思维上，还没 缓过神来，结果从上午九点调试到十二点，卡在最简单的反相比例放大电路上。后来 参看教材，恍然大悟。在这个过程中也收获了不少调试的经验。 4.预习思考中的参数是从官网的 LM324 的 DATASHEET 上一个一个找的，也了解了不少 参数的英文表示方法。WINTSON YE