实验四     集成运算放大器的基本应用

                               ――― 模拟运算电路  

一、实验目的

1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

　　2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验原理

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

1.理想运算放大器特性

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益　A_ud=∞

输入阻抗　　　r_i=∞

输出阻抗　　　r_o=0

带宽          f_BW=∞

失调与漂移均为零等。

2.理想运放在线性应用时的两个重要特性

（1）输出电压U_O与输入电压之间满足关系式

U_O＝A_ud（U₊－U_－）

由于A_ud=∞，而U_O为有限值，因此，U₊－U_－≈0。即U₊≈U_－，称为“虚短”。

　　（2）由于r_i=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I_IB＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3.基本运算电路

　　（1) 反相比例运算电路

电路如图7－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为

  为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R₂＝R₁ //   R_F。

　　（2)　反相加法电路

电路如图7－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为

        R₃＝R₁ // R₂ // R_F

（3)  同相比例运算电路

图7－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为

        R₂＝R₁ // R_F

 

当R₁→∞时，U_O＝U_i，即得到如图7－3(b)所示的电压跟随器。图中R₂＝R_F，用以减小漂移和起保护作用。一般R_F取10KΩ， R_F太小起不到保护作用，太大则影响跟随性

　（4)  差动放大电路（减法器）

　　对于图7-4所示的减法运算电路，当R₁＝R₂，R₃＝R_F时， 有如下关系式

　　　　 　

三、实验设备与器件

四、实验电路图

（1）反相比例运算电路和反相加法运算电路

 

图7－1  反相比例运算电路          图7－2  反相加法运算电路

 

图7－1  反相比例运算电路         图7－2  反相加法运算电路

（2）同相比例运算电路

 

(a) 同相比例运算电路                 (b) 电压跟随器

   图7-3  同相比例运算电路

4)  差动放大电路（减法器）

 

图7－4  减法运算电路                 图7-5  积分运算电路

　　

图7－4  减法运算电路                   图7-5  积分运算电路

　四、实验步骤

　　  1、反相比例运算电路

　　    （1) 按图7－1连接实验电路，接通±12V电源，输入端对地短路，进行调零和消振。

　　     (2) 输入f＝100Hz，U_i＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的U_O，并用示波器观察U₀和U_i的相位关系，记入表7-1。

　　  2、同相比例运算电路

　　    （1）按图7－3(a)连接实验电路。实验步骤同内容1，将结果记入表7－2。

(2) 输入f＝100Hz，U_i＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的U_O，并用示波器观察U。和U_i的相位关系，记入表7-2。

　　  3、 反相加法运算电路

(1)按图7－2连接实验电路。调零和消振。

(2）从2个-5v～+5v的直流电源分别输入自拟的电压作为U_i1和U_i2输入信号,测量输出电压U₀,分别填入表7-3中。

　　4、减法运算电路

　　  (1) 按图7－4连接实验电路。调零和消振。

(2) 采用直流输入信号，实验步骤同内容3，记入表7－4。

　五、数据表格及数据

表7-1 实验数据表一　（U_i＝0.5V，f＝100Hz ）

表7－2 实验数据表二　　（　U_i＝0.5V　　f＝100Hz ）

表7-3  实验数据表三

表7－4   实验数据表四

六、数据处理及分析

误差分析：将实验实际所得的公式与代入已知量的理论公式相比较。

(1)、反相比例运算电路

理论公式U₀＝10U_i        实验所得 U₀＝10.55U_i

分析：两公式系数较为接近，其中实验测得的系数比理论值稍大，可见实际情况与理论较为相符。偏大的可能是由于电路构造上的系统误差、个人误差、电路板上的电阻的标称值与实际值存在差异等引起误差。

    (2)、同相输入比例运算电路    

理论公式 U₀＝11 U_i   实验所得U₀＝11.91 U

分析：两公式系数较为接近，其中实验测得的系数比理论值稍大，可见实际情况与理论较为相符。偏大的可能是由于电路构造上的系统误差、个人误差及电路板上的电阻与实际值存在差异等引起误差。

(3)、反相加法运算电路

根据表三的数据及反相加法运算电路的理论公式U₀＝-（10U_i1 +10U_i2），计算可知测得的数据与理论值存在一定的差值，但差值并不是很大，符合要求，存在误差的因素有电路内部的系统误差、个人操作误差、电路构造上的系统误差。

    (4)、减法运算电路

根据表四的数据及减法运算电路的理论公式U₀＝10（U_i2- U_i1），计算可知测得的数据与理论值存在一定的差值，但差值并不是很大，符合要求，误差的产生与系统误差和整个电路的构造有关。

七、实验所得结论

通过实验可以知道，进一步证实了理想集成运放外接负反馈电路后，其输出电压与输入电压之间的关系只与外接电路的参数有关，而与集成运放电路无关。

八、思考及心得

1、 为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？

答：（1）注意芯片管脚的排列顺序，不能插错；

（2）芯片的电源不能接错。

2、心得体会

去到实验室时，我看着仪器，然后与实验纸上实验图对比，但是看了好久都看不懂，我不知道-12V从哪里来。后来，在老师的讲解中，我明白了。我知道了-12V是怎么连出来的，也知道了电路的连接，这次的实验，在连接方面要注意集成块的连接，不能混乱顺序或者插错，否则会损坏集成块。在做这个实验的过程中，不能顺便乱连线，会破坏仪器。

这个实验最难的方面是连接，连接得线太多了，而且集成块芯片的管脚很多，要区分哪个是与2号连接，哪个是与3号连接，哪个是与6号连接，还有就是那些需要接地等等。

在这个实验的过程中，多亏了老师给的那个集成运算放大器MA741管脚图，若果没有它，我们也不能那么快就连接好。此外，在实验的过程中，我和自己的伙伴细心的看实验图，认真的连接每一根线，在这个过程中，我们合作的很好，因此，很快就把实验做完了，而且，做的还不错，没有太大的问题。这让我真正的体会到团结就是力量。

本次实验是关于集成放大器的，通过实验形象的把反相比例运算电路、同相输入比例运算电路、反相加法运算电路、减法运算电路的运算关系展现出来，让我的影响无比深刻。

本次实验，让我学会了，做实验前，要认真听讲，要保护好自己的仪器，不要胡乱动手，不确定的话，要问老师；让我知道了团队精神的重要性，无论是做实验还是做其他事，如果队员之间不团结，那么这个队一定不会成功；让我更加深刻的了解了反相比例运算电路、同相输入比例运算电路、反相加法运算电路、减法运算电路的运算关系。

总的来说，本次实验，我的收获很大！

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