实验2.15  集成运算放大器的线性应用

一、实验名称：集成运算放大器的线性应用

二、实验任务及目的

1.基本实验任务

用运放设计运算电路。

2.扩展实验任务

用运放构成振荡频率为500Hz的RC正弦波振荡器。

3.实验目的

掌握运放线性应用电路的设计和测试方法

三、实验原理及电路

1.实验原理

运算放大器的线性应用，即将运放接入深度负反馈时，在一定范围内输入输出满足线性关系。

2.实验电路

图2.15.1U₀=5U_i1+U_i2（R_f=100k）电路（注意平衡电阻的取值！）

图2.15.2U₀=5U_i2-U_i1（R_f=100k）电路（注意输入端电阻的匹配！）

图2.15.3 （C_f=0.01mF）电路

图2.15.4 可调恒压源电路（注意电位器的额定功率！）

图2.15.5 恒流源电路（注意负载电阻的取值！）

图2.15.6 RC正弦波振荡器

四、实验仪器及器件

1.实验仪器

稳压电源1台，使用正常；数字万用表1台，使用正常；示波器1台，使用正常；函数信号发生器1台，使用正常。

2.实验器件

DC信号源1个，使用正常；uA741运放2个，使用正常；1kΩ电阻1个，10kΩ电阻2个，15kΩ电阻1个，17kΩ电阻1个，20kΩ电阻2个，33kΩ电阻1个，51kΩ电阻1个，100kΩ电阻4个，0.01μF电容1个，10kΩ电位器1个，使用正常。

五、实验方案与步骤

1.按照图2.15.1接好电路，将输入端接地（ui1=0，ui2=0），万用表监测输出电压，接通±15V电源后，调整调零电位器，尽量使U_o接近零，若不为零，则需记录该失调电压的数值。将DC信号源接通电源，万用表监测DC信号源输出，按照表格中要求的参数调整旋钮，测量输出电压。

2.按照图2.15.2接好电路，记录该失调电压，将DC信号源接通电源，按照表格中要求的参数调整旋钮，测量输出电压。

3.按照图2.15.3接好电路，调节函数信号发生器输出1kHz/4V的方波信号。示波器自检，然后用通道1观测函数信号发生器的输出电压波形，通道2观测积分电路输出电压波形。

4.按照图2.15.4接好电路，测量输出电压。

5.按照图2.15.5接好电路，测量负载两端电压。

6.按照图2.15.6接好电路，示波器监测波形。

六、实验数据

1.U₀=5U_i1+U_i2（R_f=100k）电路

图2.15.7 U₀=5U_i1+U_i2（R_f=100k）电路multisim仿真图

2.U₀=5U_i2-U_i1（R_f=100k）电路

图2.15.8 U₀=5U_i2-U_i1（R_f=100k）电路multisim仿真图

3.（C_f=0.01mF）电路

图2.15.8 （C_f=0.01mF）电路multisim仿真图

4.用一个运放构成的输出电压连续可调恒压源电路。

图2.15.9 可调恒压源电路multisim仿真图

5.用一个运放构成的恒流源电路。

图2.15.10 恒流源电路multisim仿真图

6.振荡频率为500Hz的RC正弦波振荡器。

图2.15.11 RC正弦波振荡器multisim仿真图

七、测量数据的分析

1.U₀=5U_i1+U_i2（R_f=100k）电路，误差0.5%，由失调电压5mv导致。

2.U₀=5U_i2-U_i1（R_f=100k）电路，误差0.3%，由失调电压3mv导致。

3.（C_f=0.01mF）电路，由于ui是1kHz/4V的方波信号，在第一个半周期内，故达到稳定状态后，该积分电路输出周期信号的峰峰值为2.4V。注意应根据输入信号电压的大小，以及运放的饱和值，合理选择该反馈电阻的大小。

4.可调恒压源电路，输出电压可由电位器连续可调，且负载变化，输出电压不变。注意电位器的取值要根据电源电压提前估算，不能超过其额定功率使用。

5.恒流源电路，负载变化，输出电流不变。注意运放的输出电压是有限的，该恒流源的负载电阻的取值应在合理范围内。

6.RC正弦波振荡器。注意与稳压二极管并联的反馈电阻的取值。

八、存在问题的分析与处理

九、实验的收获和体会

第二篇：集成运算放大器的线性应用实验

集成运算放大器的线性应用实验

佘新平编写

一、 实验目的

1．了解集成运放的使用方法；

2．熟悉集成运放的双电源和单电源供电方法；

3．掌握集成运放构成各种运算电路的原理和测试方法。

二、 实验仪器及器件

1．双踪示波器；

2．直流稳压电源；

3．函数信号发生器；

4．数字电路实验箱或实验电路板；

5．数字万用表；

6．集成电路芯片uA741 2块、瓷片电容0.01uF2个、电阻10k 10个、20k 5个、30k 2

个、50k 2个、100k 2个、5.1k 1个、3.3k 1个、680k 1个，10k电位器3个。

三、 预习要求

1．熟悉集成电路芯片uA741的引脚图及功能；

2．掌握集成运放的工作特点；

3．掌握构各种运算电路的形式及工作原理。

四、实验原理

（1）集成运放简介

集成电路运算放大器（简称集成运放或运放）是一个集成的高增益直接耦合放大器，通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其它应用电路。集成运放uA741的电路符号及引脚图如图1所示。

+Vcc VO NC 调零

图1 uA741电路符号及引脚图 调零 V- V+ -Vcc

任何一个集成运放都有两个输入端，一个输出端以及正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端等。

（a）电源端：通常由正、负双电源供电，典型电源电压为±15V、 ±12V等。如：uA741的7脚和4脚。

（b）输出端：只有一个输出端。在输出端和地（正、负电源公共端）之间获得输出电压。如：uA741的6脚。最大输出电压受运放所接电源的电压大小限制，一般比电源电压低1～2V；输出电压的正负也受电源极性的限制；在允许输出电流条件下，负载变化时输出电压几乎不变。这表明集成运放的输出电阻很小，带负载能力较强。

1

（c）输入端：分别为同相输入端和反相输入端。如：uA741的3脚和2脚。输入端有两个参数需要注意：最大差模输入电压Vid max和最大共模输入电压Vic max

两输入端电位差称为“差模输入电压”Vid ：Vid。 ?V??V? 。

两输入端电位的平均值，称为“共模输入电压”Vic ：

Vic?V??V?2

任何一个集成运放，允许承受的Vid max和Vic max都有一定限制。

两输入端的输入电流 i+ 和 i- 很小，通常小于1?A ，所以集成运放的输入电阻很大。

（2）理想集成运放的特点

在各种应用电路中，集成运放可能工作在线性区或非线性区：一般情况下，当集成运放外接负反馈时，工作在线性区；当集成运放处于开环或外接正反馈时，工作在非线性区。 在分析各种应用电路时，往往认为集成运放是理想的，即具有以下的理想参数：输入电阻为无穷大、输出电阻为0、共模抑制比为无穷大及开环电压放大倍数为无穷大。 理想集成运放工作在线性区时的特点为：

V??V? ；

i??0、 i??0

分别称为“虚短”和“虚断” 。它们是分析理想集成运放线性应用电路的两个基本出发点。 当理想运放工作在非线性区时，“虚短”不再成立，但“虚断”仍然成立。此时当

V??V?时，Vo??Vom;

V??V?时，Vo??Vom;

（3）集成运放的单电源供电问题

在集成运放的部分应用电路中，出于某种需要，有时要求单电源供电。双电源供电与单电源供电两者之间有何区别？

当集成运放采取双电源供电时，输入、输出电压的电位参考点是正、负电源的公共端C，如图2（a）所示。如果把负电源端作为电位参考点，并使C点悬空，则电路成为图2（b），这时的供电形式就变为单电源供电。可见，双电源供电与单电源供电的实质是电位参考点的不同。

2

（a） （b）

图2 单电源供电

由于电位基准发生了变化，因此集成运放的允许工作条件也将相应改变。为了说明方便，假设±12V双电源供电时集成运放的共模输入电压范围为-10～7V、输出电压范围为-11～＋11V。则当24V单电源供电时，共模输入电压范围变为2～19V、输出电压范围变为1～23V。鉴于这种情况，需要给集成运放的同相、反相输入端提供合适的直流偏置电压，使输入端的电位进入共模输入电压范围内。从而保证集成运放的正常工作。 为了获得最大的动态范围，通常将同相、反相输入端电位设置为1

2VCC，最简单的方法

是通过两个等值电阻分压，一个单电源供电的反相交流放大电路如图3所示。

图3 单电源供电的反相交流放大电路

3

静态时该电路的输出电压为1

2VCC。当输入交流正弦信号时，电路的交流电压放大倍数

的表达式与双电源供电时的表达式相同。

（4）集成运放的主要参数

集成运放的主要参数有：输入失调电压、输入失调电流、开环差模电压放大倍数、共模抑制比、输入电阻、输出电阻、增益－带宽积、转换速率和最大共模输入电压。其中最重要的是增益－带宽积、转换速率和最大共模输入电压三个参数，在应用集成运放时应特别注意。

（5）反相比例运算电路

电路如图4所示，图中R2称为平衡电阻，取R2＝R1// RF 。利用“虚短”和“虚断” 的特点可求得其闭环电压放大倍数为：

Avf??RFR1

在上述电路中，外接电阻最好在1k～100k范围内选择，电压放大倍数限定在100内，以保证电压放大倍数的稳定性。

图4 反相比例运算电路

（6）同相比例运算电路

电路如图5所示，取R2＝R1// RF 。利用“虚短”和“虚断” 的特点可求得其闭环电压放大倍数为：Avf?1?RFR1

上述电路中，集成运放的同相输入端和反相输入端电压均为输入电压，故同相比例运算电路的共模输入电压即为输入电压。因此要求输入电压的大小不能超过集成运放的最大共模 4

输入电压范围。

当取R1为无穷大时，Avf 为1，此时称为“电压跟随器”，是同相比例运算电路的特例。

图5 同相比例运算电路

（7）反相加法运算电路

电路如图6所示，利用“虚短”和“虚断” 的特点可求得其闭环电压放大倍数为： VO??RF(Vi1R1?

Vi2R2)

图6 反相加法运算电路

（8）同相加法运算电路

电路如图7所示，取R// RF＝R1// R2// R3 。利用叠加定理及“虚短”和“虚断” 的特点可求 5

得其闭环电压放大倍数为：VO?RF(

Vi1R1?Vi2R2)

图7 同相加法运算电路

（9）减法运算电路

电路如图8所示，取R1＝R2 =R， R3＝RF ，利用前面电路的结论可求得其输出端电压为： VO?RFR(Vi2?Vi1)

此电路的外围元件在选择时有一定的要求，为了减少误差，所用元件必须对称。除了要求电阻值严格匹配外，对运放要求有较高的共模抑制比，否则将会产生较大的运算误差。

图8 减法运算电路

6

（10）积分运算电路

电路如图9(a) 所示，其输出端电压为：

VO??1R1C?

tt0Vidt?VO(t0)

（a）

（b）

图9 积分运算电路

实用的积分电路还需考虑非理想运放带来的问题，如：反相积分器在静态时，运放实际处于开环状态（电容不通直流），运放的失调和漂移可能造成输出饱和而无法再对输入信号积分。因此在实用电路中，往往在电容上并联一个大电阻RF，如图9(b) 所示，这样可以适当降低运放的开环增益，避免运放饱和。但该电阻不能破坏原来的积分关系，为此容抗应该小于电阻RF，即

1??RF ， 故被积分信号的频率应满足：f??12?RFC?C 。

7

五、基础实验内容及要求

1. 反相比例运算电路

（1）直流反相比例放大

按图4接好实验电路，取R1＝5.1k，R2＝3.3k，RF=10k，根据表1要求输入直流信号，测量相应的输出电压及电压放大倍数，记录并分析实验结果。

表1

（2）交流反相比例放大

保持上述实验电路不变，根据表2要求输入不同的正弦交流信号，测量相应的输出电压幅度及波形，记录并分析实验结果。

表2

表

2. 反相比例运算电路幅频特性的测试（选做）

保持上述实验电路不变，输入正弦交流信号，改变信号频率，测量不同频率情况下的输出电压，确定上限频率fH，(逐步增加信号频率，电压放大倍数下降3dB时的频率)，并记录10组以上数据，用坐标纸画出幅频特性曲线。

3. 同相比例运算电路

（1）按图5接好实验电路，实验内容与反相比例运算电路完全相同（幅频特性测试除外）。

（2） 去掉电阻R1，测量此时电路是否实现了“电压跟随器”的功能。

4. 加法运算电路

（1）反相加法运算电路

按图6接好实验电路，取R1＝R2＝10k，RF=100k，R=10k，根据表3要求同时加入两个输入信号，用示波器测量相应的输出电压幅值及输出波形，记录并分析实验结果。

表3

（2）同相加法运算电路

按图7接好实验电路，取R1＝10k，R2＝R3＝20k，R=RF=10k，实验内容与反相加法

8

运算电路完全相同。

5. 减法运算电路

按图8接好实验电路，取R1＝R2 ＝R＝10k， R3＝RF＝20k，完成表4的实验内容。

表4

6. 积分运算电路

按图9（b）接好实验电路，取R2 ＝30k， RF＝680k，输入信号为周期0.5ms、峰－峰值2V的方波，根据表5要求测量输入、输出波形，定量画出输入、输出波形并分析实验结果。

表5

六、扩展实验内容及要求

1．将部分实验电路改为单电源供电后完成规定实验内容。

2．采用集成运放LM324和单电源供电，设计一音频放大与混合前置放大电路。将幅度

为10mV左右的音频信号和100mV左右的音乐信号进行混合实现卡拉OK功能。画出设计框图和电路原理图，并用Proteus进行软件仿真和实际电路测试。

七、思考题

1. 通过实验分析反相放大电路和同相放大电路的异同。

2. 在实验电路中如何用万用表粗查集成运放的好坏？

3. 实验发现，输出电压达到一定值后不再随RF的增大而增大，且输出交流波形限幅，试说明其原因。 9