实验7集成运算放大器及应用.ppt

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，U0 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：uo=Aod（u-u-）式中Aod 为运算放大器的开环差模电压放大倍数，通常都大于 80db(104)。正常工作时，输出电压Uo为有限值，这样就有：U+UUo/Aod0(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 ii0(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Uo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R3，如图12-3所示。R3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UIO，输入失调电流IIO，开环差模电压增益AOd，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UIO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UIO。UIO 越大，说明电路对称 性越差。UIO 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UIO的测试 由图12-4可得 UIOUO/(1+)图中 为闭环增 益，R1100,Rf10k,则 UIOUO100,图12-4 UIO 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IIO的测试 输入失调电流IIO是指当输 入信号为零时，两输入端静态 基极电流Ib1与Ib2之差，即 IIOIb1Ib2，如图12-5所示。IIO 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IIO的测试 因此，在RbR、RfR的条件下，总的输出电压 UO2(1+)(UIO+IIORb)UO1(1+)IIORb,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IIO的测试 失调电流为IIO 为了使(U02U01)足够大以便于测试，Rb的数值不应太小。（3）开环差模电压增益AOd的测试 AOd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AOd值差异很 大，一般在60dB140dB，常用的F007型运算放大器AOd在100dB 左右。在实际测试参数AOd 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AOd的测试 测试参数AOd 的原 理如图12-7所示。按下式可计算出AOd,图12-7 测试Aod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AOdRf/R,其共模增益AOOUOUS。所以，只要测出UO和US，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，RfRf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+U0 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 I1Ui1/R1,，I2Ui2/R2,，InUin/Rn 因为U-0，所以 输入和输出是比例相加的关系。Rf/Rk是比例系数。如果 R1=R2=Rn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Ui,则U0-，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 UU，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Rq为Ri1,Ri2Rin并联后的等效电阻。如果Ri1Ri2Rin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 RRf，R1R2 用叠加原理，分别算 出Ui1和Ui2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Ui20,令Ui10,所以 利用 RRf、R1R2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 U0，所以U0，并有 I1Ui1R1,I2Ui2R2,InUinRn II1I2In,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Rp应为R1,R2,Rn的并联值，Cp=C。在进行积分运算前，为了减少UIO和IIO对输出的影响，首 先应调零，为此接入Rf，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，UU0，即U0与Ui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R1与C串联，以限制噪 声和输入突变电压。在反馈电路中加 入C1与Rf并联，使C1Rf R1C，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+C1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,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,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,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,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,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Vi=-1V，断开开关K，用示波器观察V0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，Vi分别输入100Hz，幅值为2V的方波和正弦 波信号，观察Vi和V0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Vi和V0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 Vi和V0波形并测量输出电压。（1）改变正弦波频率(20Hz400Hz)，观察Vi和V0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V0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Vi输入f=200Hz，V=+6V的方波信号，用示波器观察Vi和V0 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,