实验7集成运算放大器及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工学实验7,集成运算放大器及应用,集成运算放大器及应用,一、实验目的,1、掌握用集成运算放大器组成比例、求和电路的特点及性能。,2、学会上述电路的测试和分析方法。,3、学会用运算放大器组成积分微分电路；,4、掌握积分微分电路的特点及性能。,二、实验仪器,1、数字万用表,2、直流稳压电源,3、信号发生器,4、低频实验箱,三、实验原理,1、运算放大器的分类和基本特性,（1）运算放大器的分类通用性运放、高输入阻抗运放、低失,调低漂移运放、斩波稳零集成运放。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,1、运算放大器的分类和基本特性,（2）运算放大器的基本特性,尽管运算放大器的种类很,多，用途各异，但它们都是由,差动直接耦合的多级大器构成,的，它们都有两个输入端和一,个输出端。从本质上看，集成,运放是一种高性能的直接耦合,放大电路。,运算放大器的电路符号如图12-1所示，其中U,+,为同相输入信,号，U,为反相输入信号， U,0,为输出信号。,图12-1 运算放大器的符号,集成运算放大器及应用,三、实验原理,1、运算放大器的分类和基本特性,（2）运算放大器的基本特性,在线性工作时，应满足下列关系：,u,o,= A,od,（u,-u,-,）,式中A,od,为运算放大器的开环差模电压放大倍数，通常都大于,80db(10,4,)。正常工作时，输出电压U,o,为有限值，这样就有：,U,+,U,U,o,/ A,od,0 (121),由于U,+,-U,-,趋于零，而放大器输入电阻很大，所以流进运算,放大器的电流i亦必趋于零，即,i,i,0 (122),（12）和（12）式是分析集成运算放大器应用电,路的基本出发点。,集成运算放大器及应用,三,、实验原理,1、运算放大器的分类和基本特性,（2）运算放大器的基本特性,运算放大器另一个特点是在静态时，输出电压U,o,为零，这,给电路的设计带来了很大的方便。,由于运算放大器具有以上特点，如配有不同的外接电路，,就可以完成不同的功能，以达到不同的目的。,2、运算放大器的使用注意事项,在使用运算放大器之前，必须了解应注意的事项，否则非但达,不到预期的效果，而且还会损坏器件。,(1)在使用之前，必须认真阅读产品说明书，了解运算放大器的,使用极限参数，几何尺寸和管脚分布情况。,(2)运算放大器在使用之前必须调零。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,2、运算放大器的使用注意事项,(3)为了减小和避免输入端基极电流在外电路上的压降不对称而,引起输出偏离零值，在设计外电路时要尽量保证两个输入端,的外接电路的直流电阻相等。,(4)为了运算放大器的应用范围，往往采取外接可调偏流的方,法。如果改变组件中某一级的偏置状态，可以使它具有不同,特性。,(5)注意布线问题。,(6)运算放大器的开环增益都很高，而在实际应用中又都加很深,的反馈，这样就很容易引起自激振荡，所以在使用时，必须,阅读产品说明书，按给定的数值和接法接上电容，进行频率,补偿,。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,2、运算放大器的使用注意事项,(7)在使用时，为避免因双端输,入信号的幅度过大而损坏运,放的输入级，可在输入端加,二极管双向限幅保护电路，,如图12-2所示。限幅二极管,采用小功率硅开关管(2CK型)。,避免因输出端瞬时短路而损,坏输出级，往往在输出端与,反馈引出点之间串人一电阻R,3,，,如图12-3所示。R,3,值越大，保,护效果越好，输出电阻和电压,增益指标越差，使用时要综合考虑。,图12-2 输入级保护,图,12-3 输出短路保护,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,运算放大器的参数即技术指标共14项，其中最重要的有四个，,即输入失调电压U,IO,，输入失调电流I,IO,，开环差模电压增益A,Od,，,共模抑制比CMRR。,下面将这四个参数的测试原理和方法分别加以介绍。,（1）输入失调电压U,IO,的测试,在理想情况下，运算放大器的输入为零时，其输出也为,零。但在实际制造过程中，很难保证运放内部管子的特性完全,一致和输入级的完全对称，这样就造成输入为零而输出不为零,的现象。为了使输出为零，必须在输入端加一补偿电压，这个,补偿电压就称为输入失调电压U,IO,。 U,IO,越大，说明电路对称,性越差。 U,IO,的测试原理图如图12-4所示。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（1）输入失调电压U,IO,的测试,由图12-4可得,U,IO,U,O,/(1+ ),图中 为闭环增,益，R,1,100,R,f,10k,则,U,IO,U,O,100,图12-4,U,IO,的测试原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（2）输入失调电流I,IO,的测试,输入失调电流I,IO,是指当输,入信号为零时，两输入端静态,基极电流I,b1,与I,b2,之差，即,I,IO,I,b1,I,b2,，如图12-5所示。,I,IO,越小说明差动输入级对称,性越好。,输入失调电流的测试原理如图12-6所示。首先。把单刀双掷,开关K合上，此时可测出输出失调电压 。然后打开开关K，这时,输出电压除包含因输出失调电压而产生的外，还含有由输入失调,电流在上造成的电压在输出端上产生的电压差。,图12-5 输入失调电流,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（2）输入失调电流I,IO,的测试,因此，在R,b,R、,R,f,R的条件下，,总的输出电压,U,O2,(1+ ) (U,IO,+I,IO,R,b,),U,O1,(1+ ) I,IO,R,b,图12-6 输入失调电流测试原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（2）输入失调电流I,IO,的测试,失调电流为I,IO, ,为了使(U,02,U,01,)足够大以便于测试，R,b,的数值不应太小。,（3）开环差模电压增益A,Od,的测试,A,Od,是指运放无外加反馈情况下的差模电压增益，它是决定,运算精度的重要因素。不同型号的运算放大器的A,Od,值差异很,大，一般在60dB140dB，常用的F007型运算放大器A,Od,在100dB,左右。,在实际测试参数A,Od,时，为了避免由于零点漂移的影响，,使输出端不能长时间保持平衡状态，以至影响测量精度，通常,采用交流信号测试，只要测试频率低于该运放的第一极点频,率。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（3）开环差模电压,增益A,Od,的测试,测试参数A,Od,的原,理如图12-7所示。,按下式可计算出A,Od,图12-7 测试A,od,的原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（4）共模抑制比CMRR的测试,共模抑制比CMRR是衡量,差动输入级对称程度的重要,标志，它是差模放大倍数之,比并取分贝数，即,CMRR20lg| |,一般CMRR的值在70,100db，高质量的可达100db。,CMRR的测试电路如图,12-8所示。运算放大器工作在闭环状态，其差模增益A,Od,R,f,/R,其共模增益A,OO,U,O,U,S,。所以，只要测出U,O,和U,S,，就可求出,。,图12-8 测试CMRR的原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理,3、运算放大器参数测试的基本原理,（4）共模抑制比CMRR的测试,CMRR20lg( ),为了保证测试精度，必须使RR， R,f,R,f,否则会产生附,加差模输入电压，而造成对共模输入电压的测量误差。,4、运算放大器在信号运算方面的应用,运算放大器可用于对信号进行比例运算、求和运算、积分运算,和微分运算等方面，下面介绍实现这几种运算的基本原理和基本电,路。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（1）反相比例加法器,图12-9中输出和,输入是反相的，所以,称为反相比例加法器。,根据运算放大器,的基本特性可知，,U,+,U,0 即,U,+,U,。由于U+0，,所以U,-,=0，从而有,图12-9 反相比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（1）反相比例加法器,I,1,U,i1,/R,1,，I,2,U,i2,/R,2,，I,n,U,in,/R,n,因为U,-,0，所以,输入和输出是比例相加的关系。R,f,/R,k,是比例系数。如果,R,1,=R,2,=R,n,时，则称为加法器。这时应有,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（1）反相比例加法器,为了保持直流对称，在图12-9中应有,如果只有一个输入信号，如U,i,则U,0,- ，此时即为,反相比例运算电路,。,（2）同相比例加法器,如果信号电压由同相输入端输入，如图12-10所示。可构成,同相比例加法器，根据米尔曼定理，图中,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（2）同相比例加法器,U,U,，,所以,图12-10 同相比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（2）同相比例加法器,式中R,q,为R,i1, R,i2,R,in,并联后的等效电阻。,如果R,i1,R,i2,R,in,则上式可变为,此时图12-10的电路是同相加法器。,以上运算电路都是代数相加，即输入端的电压可正可负实,现加减法。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（3）差动输入比例加法器,除同相和反相输入构,成的比例加减法运算外，,还可以在两个输入端同时,输入信号，即所谓差动输,入方式，如图12-11所示。,图中 RR,f,，R,1,R,2,用叠加原理，分别算,出U,i1,和U,i2,产生的输入电压，,然后再相加，可得出输出与输入的关系。,图12-11 差动输入比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（3）差动输入比例加法器,令U,i2,0,令Ui10,所以,利用 RR,f,、R,1,R,2,的条件可简化为,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（4）积分运算,在图12-12中，因为,U,0，所以U,0，并有,I,1,U,i1,R,1,I,2,U,i2,R,2,I,n,U,in,R,n,II,1,I,2,I,n,图12-12 积分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（4）积分运算,为了直流平衡，图12-12中R,p,应为R,1, R,2, R,n,的并联值，,C,p,=C。在进行积分运算前，为了减少U,IO,和I,IO,对输出的影响，首,先应调零，为此接入R,f,，在调零时，合上开关K，C积累的电荷,释放掉。此时运放接成比例电路，调零使输出基本为零。在开,始积分时，打开K。,（5）微分运算,在图12-13中，U,U,0，,即U,0,与U,i,的微分成正比。,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（5）微分运算,图12-12电路存在下列,缺点：,由于输出电压正比于,输入电压的变化率，因此对,后者的噪声成分非常敏感，,使输出端的信噪比严重下降。,由于反馈电路构成RC,滞后环，运放容易产生自激。,输入电压的突变有可,能使运放输入超过组件允许,的共模电压，致使组件阻塞造成“自锁”。,图12-13 基本微分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（5）微分运算,解决的办法是如图,12-14所示的微分电路：,输入端引入小电,阻R,1,与C串联，以限制噪,声和输入突变电压。,在反馈电路中加,入C,1,与R,f,并联，使C,1,R,f, R,1,C，,用以进行相应补偿防止自激。,图12-14 微分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理,4、运算放大器在信号运算方面的应用,（5）微分运算,在反馈回路中加反向串联的两个稳压管，以限制输出电,压幅度。,在R两端并联CC+C,1,以进一步进行相位补偿。,5、运算放大器在信号处理方面的应用（选做）,在自动控制系统中，运算放大器经常用在信号幅度比较、信号幅度的选择、信号的采样和保持，信号的有源滤波等方面。现就利用运算放大器组成有源滤波器作一简单介绍。,滤波器是一种电子电路，它能使某一范围内的频率信号顺利通,过，而对在此范围外的频率信号则产生很大衰减。它常用在信息的,传递和处理，干扰的抑制等方面。滤波器分为由R、L、C等无源元件,集成运算放大器及应用,三、实验原理,5、运算放大器在信号处理方面的应用（选做）,组成的“无源滤波器”和由运算放大器及RC网络组成的“有源滤波器”两种。后者具有重量轻、体积小、增益可以调节等优点，因而被广泛采用。,滤波器以它工作的频率范围分为：低通滤波器（即低频容易通,过而高频不易通过），高通滤波器（和低通相反），带通滤波器,（能顺利通过某一频率范围的信号，而在此范围之外的将受到很大抑,制），带阻滤波器（和带通相反）。,6、运算放大器在波形产生与变换方面的应用（选做）,运算放大器加上一些电阻、电容和其他一些半导体器件，就可构成正弦波，矩形波（方波）和锯齿波等波形发生器。,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,1、电压跟随器：,实验电路如图12-15所示。,按表12-1内容实验并记录。,图12-15 电压跟随器,Vi（V）,2,.,.,V,O,（V）,R,L,=,R,L,=5K1,表12-1,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,2、反相比例放大器,实验电路如图12-16所示。,按表12-内容实验并测量,记录。,图12-16 反相比例放大器,直流输入电压U,1,(mV),30,100,300,500,输出,电压,U,0,理论估算(mV),实测值(mV),误差,表12-,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,3、同相比例放大器,电路如图12-17所示,按表12-3实验测量并记录。,图12-25 同相比例放大器,直流输入电压U,I,（mV）,30,100,300,500,输出,电压,U,0,理论估算(mV),实测值(mV),误差,表12-3,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,4、反相求和放大电路,实验电路如图12-18所示。,按表12-4内容进行实验,测量并记录。,图18-18 反相求和放大电路,V,i1,(V),0.3,-0.3,V,i2,(V),0.2,0.2,V,0,(V),表12-4,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,5、双端输入求和放大 实验电路为图12-19所示。,按表12-5要求实验并测量,记录。,图12-19 双端输入求和电路,V,i1,(V),1,2,0.2,V,i2,(V),0.5,1.8,-0.2,V,0,(V),表12-5,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,6、积分电路：（选做）,实验电路如图12-20所示。,（1）取V,i,=-1V，断开开关K，,用示波器观察V,0,变化。,（2）测量饱和输出电压及有,效积分时间。,（3）使图12-20中积分电容,改为0.1，断开K，V,i,分别输入100Hz，幅值为2V的方波和正弦,波信号，观察V,i,和V,0,大小及相位关系，并记录波形。,（4）改变图12-20电路的频率，观察V,i,和V,0,的相位，幅值关,系。,图12-20 积分电路,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,7、微分电路（选做）,实验电路如图12-21所示。,输入正弦波信号，f=160Hz，,电压有效值为1V，用示波器观察,V,i,和V,0,波形并测量输出电压。,（1）改变正弦波频率,(20Hz400Hz)，观察V,i,和V,0,的,相位、幅值变化情况并记录。,（2）输入方波，f=200Hz，V=,+,5V，用示波器观察V,0,波形；按上述步骤重复实验步骤，重复实验。,图12-21 微分电路,集成运算放大器及应用,四、实验内容：,8、积分微分电路（选做）,实验电路如图12-22所示,（1）在V,i,输入f=200Hz，V=,+,6V的方波信号，用示波器观察V,i,和V,0,的波形并记录。,（2）将f改为500Hz重复上述实验。,图12-22 积分微分电路,