实验七集成运放实验 )实验七集成运放实验 ().doc

PAGE  PAGE 7 集成运算放大器的应用实验 一、 实验目的 1．了解集成运放的使用方法； 2．掌握集成运放构成各种运算电路的原理和测试方法。 3. 掌握信号发生器电路原理及测试方法。 二、 实验仪器及器件 PC计算机 三、实验原理 （1）集成运放简介 1 2 3 4 5 6 7 8 调零 V- V+ -Vcc 调零 +Vcc NC VO 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。 图1 uA741电路符号及引脚图 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。 （c）输入端：分别为同相输入端和反相输入端。两输入端的输入电流 i+ 和 i- 很小，通常小于1mA ，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： 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。 （3）反相比例运算电路 电路如图2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： 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2 反相比例运算电路 （4）同相比例运算电路 电路如图3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： 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3 同相比例运算电路 （5）反相加法运算电路 电路如图4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： 图4 反相加法运算电路 （6）同相加法运算电路 电路如图5所示，取R// RF＝R1// R2// R3 。利用叠加定理及“虚短”和“虚断” 的特点可求得其闭环电压放大倍数为： 图5 同相加法运算电路 （7）减法运算电路 电路如图6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： 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6 减法运算电路 （8）有源滤波器电路 由集成运放构成的有源滤波器可以很方便地实现信号的滤波和放大，在测量电路中有重要的应用。有源滤波器一般由集成运放、电阻和电容器件构成，根据储能元件个数不同，最基本的滤波器分为一阶滤波器和二阶滤波器两种，高阶滤波器有这两种滤波器组合而成。图7是典型的二阶滤波器结构。 图7 二阶有源滤波器 （9）方波发生电路 在集成运放应用中，当电路中存在正反馈或工作在开环状态时，其输出不再是线性状态，而是输出正饱和电压或负饱和电压，这种电路可以用于构成电压比较器或信号发生电路。图7所示为方波发生电路。由R1和R5构成正反馈，使得运放快速进入饱和状态。调节Rp电位器可以调整方波频率。 图8 方波发生电路 四、基础实验内容及要求 1. 反相比例运算电路 按图2接好实验电路，取R1＝5.1k，R2＝3.3k，RF=10k，根据表1要求输入信号，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 输入电压实测输出电压实测电压放大倍数1.4V-1.0V5V0.5cos2000πt4cos2000πt2. 同相比例运算电路 （1）