实验04-运放基本运用.ppt
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。,实验4 集成运算放大器的基本运用,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。,检查上节内容自学效果,信号源&示波器 的操作调整并显示一个 500Hz，幅度1V的 正 方波 后面实验要用到,计时开始,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vpvn，或vidvpvn0。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=(vpvn)/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,(2)为减小偏置电流不良影响，增加直流平衡电阻Rp=RfR1。(3)若Rf=R1，则为倒相器，可作为信号的极性转换电路。,(1)表面上似乎直接有RfR1 Av；但电阻选择还有其他条件限制，如：R1 大则引起较大的失调温漂；若RfRi 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！,设计经验提示：设计要求一般是规定Ri 和Av（如教材P80的提法）,属于电压并联负反馈，有：输出电阻 Ro0(很好)输入电阻 RiR1(！？不够大),闭环电压增益,信号从反相端输入,集成运算放大器的基本应用2.同相放大器,闭环电压增益,信号从同相端输入,直流平衡电阻 Rp=R1/RF,若Rf 0，R1=（开路），则为电压跟随器。电压相等但阻抗不同，一般做缓冲级及隔离级,同相放大器采用电压串联负反馈，所以输入阻抗非常高（理想状态是无穷大），同时电路输出阻抗很低（接近0）。因此广泛用于前置放大级。,集成运算放大器的基本应用3.反相比例加法运算,由分析可得：,当R1R2R时，则有,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,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，RR1/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,有,当R1=R2，R3R4时，,在精度要求低的场合，直流平衡电阻影响很小，其阻值不必精确甚至可短路掉；但此处的R3兼有平衡和分压双重作用，故阻值要根据分压来精确计算并正确匹配。,集成运算放大器的基本应用5.积分器,式中，RC为积分时间常数。,若输入频率远低于右式（如直流输入）,则电路稳态近似一个反相器，其低频电压增益最大不过,右图理想化分析结果是,若输入为直流(电压=Vi)，则在C充电过程中有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。,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。,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 RF10R1、C1F。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：,（a）,（b）,集成运算放大器的基本应用4.积分器,集成运算放大器的基本应用6.微分器,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。,式中，RFC为微分时间常数。,右图理想化分析结果是,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3V18V范围内，而电源电压也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12V（考虑运放自身约0.7V的片内压降，输出最大值会更低些）。当然也有一些单电源供电电路请自行查阅资料。运放在实际使用中还有一些必须注意的问题，如调零、自激、保护等，在教材p208面有详细讲解。不过由于课堂实验精度要求比较低，涉及不到这些问题，故本课程不作特别讨论。,本课程后面的实验中还有很多电路要用到集成运算放大器，如：有源滤波器，波形发生器 所以关于集成运放的基础知识和电路分析方法必须扎实地掌握。实际上本课程的模拟实验部分最核心的器件就是两种：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。,集成运算放大器的基本应用无限延伸,考试中的电路设计题，如果不明确说必须用三极管，请优先考虑集成运放电路。总之，本课程考试涉及到的基本知识点不限于实验教材，要以原理课内容为标准。比如：如何实现一个输入电阻为20k欧姆，负载阻抗为10k欧姆，放大倍数为300倍的同相放大电路？若输入信号无直流分量，峰峰值不大于100mv，则工作电源电压选为多少?,集成运算放大器的基本应用无限延伸,集成运算放大器的基本应用无限延伸,综合运放基本应用知识可知：由于输入信号v2经过一级反相放大，再与v1进入加法器，故其输出是：反过来：可用上面的电路实现运算voav1bv2 且ab（只要两级的比例合适，相比用单级减法电路匹配电阻要容易些）。又比如：单电源自举式交流放大器 请自行延伸！,比如：可以用加法器来实现减法运算，不过是多级，,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,1,7,8,14,集成运放LM324正、负电源的接法,稳压电源,12V,12V,12V,+12V,+GND+,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）,电路地,共地线！,三、硬件实验内容,1、反相比例运算（图）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）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）,具体实验要求：,(1)参考图所示电路，设计并安装反相比例运算电路，要求输入阻抗Ri=10 k，闭环电压增益Af=10。,(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。,1.反相比例运算,1000mV,2000mV,2.比例积分运算,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，画出其波形，测量出其幅值、周期和平均值（检查点）。,而直流分量反相比例放大,纯交流方波积分为三角波,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）。,比例积分器的输入、出信号,图4.4.8 反相比例加法和减法运算电路,3.反相比例加、减运算,在图中，vi为=1kHz 正弦波。S-A相接为加法运算 R=5.1k=RfR1R2 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。,加法运算实验记录表(减法表式样相同),vi2 不要太接近vi1,10K,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。,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！输入正压方波通道直流耦合电源 4-11电源地电阻,2积分：加C并改vi 正电压方波；3加法：还原vi，S-A，R也用9K4减法：S-B，R=100K；考验布局和布线水平！,10K,vi2 不要太接近vi1,连接示波器和信号发生器，检查两仪器基本功能正常否；开电源，调双路12V，连出3根线（V、V、地！），关电源；插好反相比例电路；连通电源芯片（4脚连V、11脚连V），检查接反否；连通电源电路电阻，共地！示波器（CH1监测输入；CH2输出）；对着CH1按要求调信号发生器100mV正弦波，1KHz开电，观察记录；完成表格1；电路加103瓷片电容积分电路；对着CH1，调信号发生器1V方波，500Hz还要调信号发生器旋直流电平正方波设示波器两通道耦合直流、直流输出正确，记录，申请验收，报输出平均值！插好加法电路，调信号100mV正弦，1kHz 改为减法电路，R=100K.完成表格3,
