模拟运算放大电路(三)LZW.doc

东南大学电工电子实验中心
实 验 报 告

课程名称： 电 子 线 路 实 践

第 5 次实验

实验名称： 模拟运算放大电路（三）
院 （系）： 电工电子实验中心 专 业：
姓 名： 李哲文 学 号：
实 验 室: 103 实验组别：
同组人员： 实验时间： 2008年 3月25日
评定成绩： 审阅教师：
实验目的和要求：
1、 了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度漂移、共模抑
制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等） 、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和
极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念。
2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及输入阻抗、输出阻抗增益、幅频特性、传输特
性曲线的测量方法。
实验预习思考题：
1、 查阅 741 运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义。

2、 根据教材 24页实验内容 4 的指标要求（指标要求以本节实验部分修改的为准），设计电路并确定元件参数，同时估算该电路的最大不失真输出电压范围，下限频率、上限频率，并和双电源供电的比例运
算电路做一个简单的比较。
此时选用同相比例单电源交流放大电路 Vcc=+15V C1=C2=C3=10uF
在仅需放大交流信号的应用场合（如音频信号的前置级或激励级），为简化供电电路，常采用单电源供电，以电阻分压方法将同相端偏置在1/2Vcc，使运放的反相端和输出端的静态电位与同相端相同。交流信号经隔直电容实现传输。其电压放大倍数与双电源的同相比例运算放大电路一样。
根据要求，选择RF=40kΩ R1=10kΩ R2=R3=10kΩ R4=100kΩ
实验内容：
1. 23 页实验内容 1，具体内容改为：
(I) 图 5-1 电路中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝220Ω，RP＝10k//100kΩ。按图连接电路，测量最大不失真输出电压，并和实验一数据进行比较，分析数据不同的原因。 （提示：考虑运算放大器的最大输出电流）
实验结果：最大不失真输出正电压为5V，最大不失真输出负电压为-7.5V。造成这种情况的原因是小负载时，输出电压还未达到Vom时输出电流就已经超出最大输出电流，造成失真。由实验数据可知，输出最大电流为22.7mA，与理论值25mA相符。而最大灌电流明显要大于输出电流，为34.1mA，与实际相符。

(II) 将电路改成下图所示， 这样可以通过三极管实现扩流，将输出电流由运放的 25mA增加到 500mA，重复（I）的实验，并对实验数据进行比较和分析（本内容可以选做）
实验结果：最大输出摆幅为+-14。
三极管扩流电路中，三极管起到了一个开关的作用，当运放输出为正电压时，9013饱和导通，9012反向截止，因此输出电压为（Vcc-三极管的饱和压降），当运放输出为负电压时，9012饱和导通，9013反向截止，输出电压为（-Vcc-三极管的饱和压降）。
三极管扩流后的输出波形在0电压上下有明显的失真，这是因为三极管没有基极偏置电路，输入信号在-0.6—0.6V之间两个三极管都不导通，引起了失真，这种失真叫做交越失真。可以通过基极偏置电路，为Vbe提供一个偏置电压来解决这个问题。

(III) 保持 Vi＝0.2V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率 fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。
实验结果：fH=87kHZ 相位差为-225度。结果与理论相符。

(IV) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的 fH，逐步增加输入信号幅度，观察输出波形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），记录该点的输入、输出电压值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。
实验结果：输入电压峰峰值1.2V，输出电压峰峰值4.24V，所以转换速率为0.38V/us，与理论值基本相符。
运放应用中，当频率较高，输出信号幅度较大时必须考虑转换速率的影响。

(V) 输入信号改为占空比为 50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法，此项内容选做）
实验结果：输入频率51.2kHZ，峰峰值1.02V，输出峰峰值6.72V，因此转换速率为0.656V/us，结果与理论值基本相符。
(VI) RF改为 10 kΩ，自己计算 RP的阻值，重复（III） （IV） 。列表比较前后两组数据的差别，从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。
实验结果：fH=790kHZ 相位差为-256度。与RF=100kΩ相比，截止频率扩大了将近10倍，这结果正好符合运放的增益带宽积基本不变的事实增益与带宽成反比，增益越大，带宽越小。在高频应用中，首先要根据设计中的增益和上限截止频率的要求计算出增益带宽积要求，然后根据输出电压的幅度和上限频率的要求计算转换速率。

2、 24 页实验内容 4，具体内容改为：
(I) 设计一个单电源交流放大器，输入电压≤1V， Avf = 5，fL≤10Hz，fH≥100kHz，输入电阻大于 100k Ω，输出电阻小于 100Ω。（带宽设计时可参考单级放大器实验）
1.由于放大倍数为5，选择同相比例放大器，电路如上图所示，VCC=+15V
2. 根据设计要求可知，RF/R1=4，取R1=10kΩ，RF=40kΩ。
3. 输入电阻要求大于100kΩ，因此同相端分压偏置电阻的等效电阻要大于100kΩ，分压值要等于1/2Vcc。取R4=100kΩ，R2=R3=10kΩ可满足要求。
4. 根据设计要求fL<=10HZ
对于C1构成的高通回路，，计算可得：
对于C2构成的高通回路，，计算可得：
对于C3构成的高通回路，，计算可得：
5. 考虑余量和同相反相端的平衡，取C1=C2=10uF，C3=47uF
6. 根据设计要求fH>=100kHZ，上限频率要考虑受增益带宽积和转换速率的影响。在本设计中增益为5，因此运放器件的增益带宽积要大于500kHZ。输入信号<=1V，输出信号<=5V，代入转换速率计算公式，满足要求的运放转换速率要大于0.5V/us，uA741基本符合要求。

(II) 测量并记录 V+、V-、Vo 的值；
V+=7.47V，V- =7.5V，Vo=7.51V。静态偏置点符合理论要求。

(III) 在输入端加入 0.1V、 1kHz 的正弦交流信号，观察并记录输入输出波形，测量 Vo 值，计算 Avf；
输入峰峰值100mV，输出峰峰值540mV，Avf=5.4。与设计值基本符合。

(IV) 用示波器观察 C3两端波形（示波器输入耦合方式置于“DC”档），分析直流分量；
由上图可以看出，在经过C3电容隔直之前，波形中含有一个7.5V的直流分量，经过电容之后只有交流分量了。

(V) 自拟方案测量输入、输出电阻值、上限频率、下限频率。
下限频率为2HZ，上限频率为147kHZ，带宽为147kHZ。