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实验运放基本运用141115


实验4

集成运算放大器 的基本运用

对号就座并签到、班干部 清点并发放万用表及工具。 交上次实验报告,本次预习 报告放桌面。

一、实验目的 1. 掌握集成运算放大器的正确使用方法- 同相输入/反相输入。 2. 掌握用集成运算放大器构成各种基本运 算电路的方法。
3. 进一步熟练使用示波器DC、AC输入方 式观察波形的方法。**重点掌握积分器 输入、输出波形的测量和描绘方法。

上次讲解的操作入门要点
1. 自检

还记得么?

2. 触发-同源周期,触发信源,触发电平

3. 读懂-零电平指示,通道设置,直流电平

正方波

运放电路分析基本方法-摘自理论课程
以同相放大器电路为例:
? 图中输出通过负反馈的作用,

使vn自动地跟踪vp, 即vp≈vn,或vid=vp-vn≈0。 这种现象称为虚假短路,简称

虚短。
? 由于运放的输入电阻ri很大,

所以,运放两输入端之间的 ip = -in = (vp-vn) / ri ≈0,这种现象称为虚断。
由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念,是 分析由运放组成的各种线性应用电路的利器,必须熟练掌握。

集成运算放大器的基本应用-1. 反相比例运算(放大器)
设运放为理想器件,则右图电路的 Rf R1 A ? vI 闭环电压增益 v R1 信号从反 属于电压并联负反馈,有: 相端输入 输出电阻 Ro≈0 (很好) 输入电阻 Ri≈R1 (!?不够大…)
Rf – Av + Rp=Rf // R1 RL vO

工程实践中的非原理问题:设计要求一般是规定Ri 和Av (如教材P80的提法)

(1) 原理上简单,Rf=R1 ?Av ;但电阻选择还有实际情况限制,如: R1 大则引起较大的失调温漂;若Rf≈Ri ?Av 大到MW级别,低档 电阻本身都不太稳定。故通常限定Rf为几十千欧?几百千欧。在 此限定下,若Ri 和Av设计要求相矛盾则应改电路!
(2) 为减小偏置电流不良影响,增加直流平衡电阻Rp=Rf∥R1。

集成运算放大器的基本应用-2. 同相放大器
闭环电压增益
Rf Av ? 1 ? R1
R1 Rf – Av + RL vO

同相放大器采用电压串联负 Rp=Rf // R1 信号从同 反馈,所以输入阻抗非常高 相端输入 vi (理想状态是无穷大),同时 电路输出阻抗很低(接近0)。 直流平衡电阻 Rp=R1//RF 因此广泛用于前置放大级。

若Rf ?0,R1 =?(开路),则为电压跟随器。 电压相等但阻抗不同,常做缓冲级及隔离级, 是级联电路中常用的一种单元电路。

集成运算放大器的基本应用-3. 反相比例加法运算
从基本比例放大电路可延伸出其他的基本应用,比如加法器

由分析可得:

vn ? vp ? 0
v11 - v1 v i2 - v n v n - v o ? ? R1 R2 R3

R3 R3 - vo ? vi1 ? vi 2 R1 R2

当R1=R2=R时,则有

R3 vo ? ? (vi1 ? vi2 ) R

同样,为保持输入端直流静态平衡常在同相输入端加上平 衡电阻,R’=R1//R2//R3 。

集成运算放大器的基本应用-4. 反相比例减法运算
从基本比例放大电路可延伸出其他的基本应用,比如减法器

vn ? vp vi1 ? v n v n ? vo ? R1 R4 vi2 ? v p v p ? 0 ? R2 R3
R3 R1 ? R4 R4 vo ? ( )( )vi2 ? vi1 R1 R2 ? R3 R1

当R1=R2,R3=R4时, R4 (vi2 ? vi1 ) 有 vo ? R1

图中的R3兼有直流平 衡电阻和分压双重作 用,故阻值要根据分 压来计算,而不是按 平衡电阻来。

集成运算放大器的基本应用-5. 积分器
右图理想化分析结果是 1 t vo ( t ) ? ? vi ( t )dt ? vC (0) ? RC 0 式中,RC为积分时间常数。
若输入为直流(电压=Vi),则 Vi t 在C充电过程中有 vo ( t ) ? ? RC 但运放输出受电源电压限制,故 输出不可能如实验教材所示无限 增加,而是到最大值后恒定。 为限制电路的低频电压增益,可
C vi R - vo +

将反馈电容C与一电阻RF并联。当 1 输入频率大于 f 0 ? ? 时, 电路起积分作用; 2? RF C 若频率低(包括直流),则电路仅起反相放大作用。

由于电容C的容抗随输 入信号的频率降低而增 加, 结果是 输出电压随 频率降低而增加。

集成运算放大器的基本应用-4. 积分器
实际的积分器如下图(a),增加的直流负反馈电阻RF比较大 (RF小就成了一阶低通滤波器)。不过RF对C有分流作用, 导致积分误差,为此通常要求 RF>10R1、C<1?F。 若输入电压为正负对称方波,则输出稳态波形为对称三角 波,波形如图(b)所示:
RF 100kW C 2 - 0.022?F 6 ?A741 3 + Rp=R1 ?? RF 10kW
vi(t) Vm o -Vm t1 t2 t

vi

R1 10kW

vo

vo(t) Vmt1 R1C o -Vmt1 R1C t

(a)

( b)

集成运算放大器的基本应用-6. 微分器
右图理想化分析结果是 VO=- RFC
RF vi C - vo +

dvi dt

式中,RFC为微分时间常数。

由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小, 结果是 输出电压随频率升 高而增加。为限制电路的高频电压增益,多在输入端与电容C之间接入一小 电阻Rs, 实际的微分器电路如下图(a)所示。若输入电压为正负对称的三角 波,则输出电压为正负对称方波,其波形关系如图(b)所示。

RF vi - 100W 0.01?F ?A741 3 + Rs C 2 200kW 6 vo

vi(t) +Vm o -Vm vo(t) 2RFCVm t1 o -2RFCVm t1 t1 t2 t

t

集成运放直流供电电源问题
运放常用对称双电源供电,此方式下直流 工作电源电压应在±3V~±18V范围内,而电 源电压限定了输出交流信号的峰值电压。 例如选定电源电压是±12V,则输出信号正 峰/负峰的最大值不会超过11.3V(运放自身还 有约0.7V的片内压降)。
运放还有一些必须注意的问题,如调零、自激、保护、 单电源供电等,在教材p208面以及其他资料中有详细讲解, 大家自己阅读,了解一下。本课程不作详细讨论。

集成运算放大器的基本应用--无限延伸…… 本课程涉及的知识点不限于实验教材,要是以 原理课内容为标准,所以关于集成运放电路的基本 分析方法和常用单元电路必须扎实地掌握!而用常 用单元电路组合搭建电路是最常用的设计方法。

本课程的模拟实验部分最核心的器件就两种: 集成运放和三极管。相对于三极管难以控制的离散 性能,集成运放更适合设计电路以达到性能指标要 求,而且电路也相对更简单稳定。所以电路设计题, 如果不明确说必须用三极管,请优先考虑集成运放 电路。

二、实验注意事项
本实验采用LM324集成运算放大器和外 接电阻、电容等构成基本运算电路。 LM324 的引脚图如教材p80面所示。实验时应注意下 列事项: 1. 组装电路前须对所用电阻逐一测量,作 好记录。 2. 集成运算放大器的各个管脚不要接错, 尤其是正、负电源不能接反,否则极易损坏 芯片。

集成芯片在面包板上的放置

14 1

8

LM 324

7

LM324

集成运放LM324正、负电源的接法
稳压电源
?12V
14 13 12 V– 11 10 9 8



+

GND



+

12V
共 地 线 !

12V

– + + –

– + + –

1

2

3

4 V+

5

6

7

电路地

LM324 引脚排列图

+12V

调好双12V后关电源,接线路,检查接线是否确实 极性正确,再开电源(千万别接反,否则烧芯片)

三、硬件实验内容
?1、反相比例运算(图4.4.1) 输入正弦波(1kHz),幅值自选 测量计算电压增益(测两组,再求平均) ?2、反相比例积分(图4.4.4) 输入f=500Hz,幅值为1V的正电压方波 画出vi,vo波形,标出其幅值和周期 ?3、加、减法电路(图4.4.8)

1. 反相比例运算

Rf R1 10kW 100kW – Av + R?=Rf // R1 = 9kW vO RL 10kW

具体实验要求:
(1)参考图4.4.1所示电路,设计 并安装反相比例运算电路,要 求输入阻抗Ri=10 kW,闭环电 压增益?A?f?=10。

vI

4.4.1 反相比例运算电路

(2) 在电路输入端加1kHz正弦电压,用示波器测量电路的输入和 输出峰峰值;改变?i的大小,再测一次。研究?i和??的反相比例 关系,填表。计算平均值得出实际Avf ,与理论值比较。

vi

vo

Vopp理
1000mV 2000mV

Vopp测

vipp=100mV
vipp=200mV

2. 比例积分运算
iC iR + v1 – R1 10kW

100 kW Rf C 0.01?F – Av + R?= Rf // R1 = 9kW 10kW RL vO

比例积分运算电路

此电路和反相比例运算基本相同,不过加了电容以及 输入信号是正方波-全为正电压的方波!所以如果有 较好的布局布线习惯,硬件操作就非常简单!

比例积分器的输入、出信号
实验要求输入f=500Hz,幅值1V的正方波,务必设置示波器 通道直流耦合来观测vi和vo,(现场检查点)。实验报告中要 画其波形,标明频率和最大值、最小值。
Vi

1V
1 Vo

正电压 方波
纯交流方波积分为三角波

示波器屏幕上 显示的小箭头 是0V的位置

2

负电压 三角波
而直流分量反相比例放大

注意:虽然本次实验课堂操作中的输入信号都是交流,但不表示这些运算电 路只处理交流信号,显然直流信号也能进行运算(除非加了隔直电容)。

3. 反相比例加、减运算 在图4.4.8中,vi为 ?=1kHz 正弦波。 S-A相接为加法运算 R?=5.1k=Rf∥R1∥R2 S-B相接为减法运算 R?=100k=Rf。 调节电位器RP,用示 波器测量一组vi1、vi2 和vo峰峰值;然后改 变vi1 ,测量改变后的 vi2和vo峰峰值;自行 完成拟定表格。

10K

图4.4.8 反相比例加法和减法运算电路 加法运算实验记录表(减法表式样相同)

vi

vo

vo 理

vo 测

vi1=100mV vi2=自调 vi1=200mV vi2=自动

vi2 不要太接近vi1

四、实验报告要求
1. 在绘制的电路图加上实际操作时用的芯片管 脚号。 2. 整理实验数据,填入拟定的记录表格中。 3. 记录和描绘积分器vi和vO的波形(注意规范)。
*特别注意vO是非对称波形,要标明峰谷两个值。

4. (81面)思考题1,2,3。 5. 记录实验过程中出现的故障或不正常现象, 分析原因,说明解决的办法和过程。

温馨提示:元器件有坏少需要补充的,请到校设备处元
器件中心自费购买。地点: 科技楼斜对面 也就是 校工会 活动中心&校理发点 对面 那排平房。或者直接到广埠屯 电子市场,又或者网购。

本楼教师一概不负责零散补充购买元器件事宜。

下次实验-请完成预习报告

步骤2常见故障, 请务必自行排除!

10K

vi vi1=100mV vi2=自调 vi1=200mV vi2=自动

vo

? ? ? ?

调直流电平钮 通道直流耦合 电源+ 4 -11 电源地~电阻
100 kW iC Rf C 0.01?F – Av + 10kW RL vO

vo 理

vo 测

vi2 不要太接近vi1
iR + v1 – R1 10kW

2积分:加C并改vi 正电压方波; 3加法:还原vi,S-A,R’也用9K 4减法: S-B,R’=100K; 考验布局和布线水平!

R?= Rf // R1 = 9kW

比例积分运算电路


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