东南大学电工电子实验中心
实 验 报 告
课程名称： 模拟电子电路实验
第一次实验
实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 自动化学院 专 业：自动化 姓 名： 某 某
学 号：*****
实 验 室: 101 实验组别： 同组人员： 无 实验时间：2017年3月29日 评定成绩： 审阅教师：
实验一 运算放大器的基本应用
一、实验目的：
1、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法； 2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法；
3、 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；
4、 熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性传输曲线测量方法。
二、预习思考：
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。
参数名称 输入 失调电压UIO 输入 偏置电流IIB 输入 失调电流IIO 直流参数 开环差模 电压增益AVD 输出 电压摆幅UOM 差模输入电阻RID 失调电压温漂αUIO 共模抑制比KCMR 参数值 TYP1mV; MAX6mV TYP80nA; MAX500nA TYP20nA; MAX200nA 20μV/°C MIN70dB; TYP90dB MIN20V/mV; TYP200V/mV MIN±12V; TYP±14V MIN0.3MΩ; TYP2MΩ 75Ω 0.7-1.6MHZ 参数意义及设计时应该如何考虑 在输入电压为0时，存在一定的输出电压。 第一级放大器输入晶体管的基极直流电流。这个电流保证放大器工作在线性范围，为放大器提供直流工作点 输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的 温度变化带来的失调电压变化的比例 输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间的电压的比 输出端无反馈情况下，输出信号与输入差模信号的比值 正负输出电压的摆动幅度极限 输入差模信号同相端与反相端之间的近似电阻值 即运放输出电阻 有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积 输出电阻RO 交流增益带宽积G.BW 参数 转换速率SR TYP0.5V/μS 该参数指输出电压的变化量 与发生这个变化所需的时间之比 反向和同相输入端能承受的最大 电压最大差模 输入电压UIOR 极限参数 最大输出电流IOS 最大电源电压USR 最大共模 输入电压UICR ±30V 值。超过这个电压值运放的功能会受到影响。 同相端与反相输入端承受的最大 共模TYP±13V NIN±12V 信号电压值。超过这个值运放的共模抑制比会显著下降，放大功能会受到影响。 TYP±30mA; MAX±40 mA ±22V 运放所能输出的电流峰值。 运放最大电源电压。
2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10KΩ，RL=100 KΩ，并用Multisim仿
真；
（1） 仿真原理图
（2） 参数选择计算
因为要求|Av|=10，即|V0/Vi|= |-RF/R1|=10,故取RF=10R1,输入电阻尽量大些，取：R1=15kΩ，RF=150 kΩ, RL=100 kΩ
（3） 仿真结果
当输入电压为427.083mV时，输出电压为4.263V，放大倍数为9.982，与理论值10接近。
3、 设计一个同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri>10KΩ，RL=100 KΩ，并用Multisim仿
真。
（1）仿真原理图
（2）参数选择计算 因为要求|Av|=11，即|V0/Vi|=1+|-RF/R1|=11,故取RF=10R1,输入电阻尽量大些，取：R1=15kΩ，RF=150 kΩ, RL=100 kΩ； （3）仿真结果
当输入电压为30.0mV时，输出电压为341.094mV，放大倍数为11.132，与理论值11接近。
三、实验内容：
1、内容一：反相输入比例运算电路各项参数测量数据 （1）下图图1.1中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//100kΩ。
按图连接电路，输入直流信号Ui分别为－2V、－0.5V、0.5V、2V，用万用表测量对应不同Ui时的Uo值，列表计算Au并和理论值相比较。其中Ui通过电阻分压电路产生。
Ui/V -1.995 -0.504 0.505 1.992 UO/V 14.04 4.997 -4.967 -12.67 Au 测量值 -7.038 -9.875 -9.836 -6.354 理论值 -10 -10 -10 -10 实验结果分析：
由运放的基本性质可知，当输出电压Uo>Uom时，输出电压为Uom，由数据手册，VCC=±15V时，输出电压摆幅UOM≈±12V~±14V。故当|Ui|>1.5V时，|Uo|=12~14V; |Ui|<1.5V时，|Uo|=10|Ui|，实验结果与理论相符。
观察数据发现，在输入电压的绝对值一定时，运放输出的正电压高于负电压，在输出电压接近电源电压时尤为明显，由于放大器及电路本身结构具有不对称性，可推断这样的结果是合理的。
（2）Ui输入0.2V（有效值）、 1kHz的正弦交流信号，在双踪示波器上观察并记录输入输出波形，在输出不失真的情况下测量交流电压增益，并和理论值相比较。注意此时不需要接电阻分压电路。
（a）双踪显示输入输出波形图 CH1输入信号数据显示：
CH2输出信号数据显示：
（b）交流反相放大电路实验测量数据 输入信号有效值（V） 0.14 输出信号有效值（V） 1.33 信号频率 1kHz 电压增益 测量值 9.50 理论值 -10 交流反相放大电路实验测量数据
实验结果分析： 由于本人的失误，将输入的0.2V有效值看成峰值，是的真正的输入有效值为0.14V,通过对有效值为0.14V的输入的输入输出波形的分析不难发现，放大倍数9.5在10倍左右，而输入输出的波形相位差为180°，构成一个反向比例放大器，与理论结果符合；
（3）输入信号频率为1kHz的正弦交流信号，增加输入信号的幅度，测量最大不失真输出电压值。
实验过程以及波形记录： 不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为2.6V，输入输出波形如下：
实验结果分析：
通过查阅数据手册可知，当电源电压为±15V时，运放的最大输出摆幅范围为±12V到±14V。实验结果表明，RL=100KΩ时，最大不失真输出电压峰值为12.20V位于12V~14V之间符合理论值。
（4）用示波器X-Y方式，测量电路的传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。
（a）传输特性曲线图
（b）实验结果分析：
由上图，可知两转折点分别为（-1.24,12.10）和（1.38，-13.50），x =2.62V,Y=-25.60V,放大倍数为Y /x=9.77,与理论值10接近。
（5）电源电压改为±12V，重复(3)、(4)，并对实验结果结果进行分析比较。
（a）最大不失真输出电压值 A.实验过程以及波形记录：
不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为1.96V，输入输出波形如下：
B.实验结果分析： RL=100kΩ，由于Vcc=12V，运算放大器的输出电压摆幅相应降低，故最大不失真输出电压峰值也降低为9.2V，与理论结果符合；
（b）电路的传输特性曲线
A.传输特性曲线图：
B.实验结果分析： 由上图，可知两转折点分别为（0.970,9.00）和（1.04，-10.80），x =2.01V,Y=-19.80V,放大倍数为Y /x=9.85,与理论值10接近。
（6）重加负载（减小负载电阻RL），使RL＝220Ω，测量最大不失真输出电 压，并和RL＝100 kΩ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）
（a）实验过程以及波形记录： 不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为1.01V，输入输出波形如下：
（b）实验结果分析：
负载 电源电压（V） 最大不失真输出电压峰值（V） RL=100KΩ 15 12.2 RL=220Ω 15 4. 当RL=100KΩ时，最大不失真输出电压峰值为12.20V位于12V~14V之间符合理论值。而当RL=220Ω时，则最大不失真输出电压为4.V，考虑运放的最大输出电流为±30mA，负载上的最大电压为6.6V,实验结果与理论值相符合。
1、内容二：
（1）设计一个同相输入比例运算电路，放大倍数为21，（由于从实验中心网站下错实验讲义，我下的16年的讲义要求放大倍数为21，后来做完实验才得知17年的讲义要求放大倍数为11，姑且为21）且 RF=100 kΩ。输入信号保持Ui＝0.1V 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。
（a）同相输入比例运算电路设计
上图中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=200 kΩ，RL＝100 kΩ，RP＝10k//200kΩ。 （b）上限频率的测量
逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为30.44KHZ时，达到上限频率，波形如下如：
整理数据到如下表格中：
上限频率fH (KHz) 30.30 （C）实验结果分析：
t(μs) 4.40 相位差 T(μs) 33.00 Φ=t/T×360 o 48°输入电压为0.2V，取输出电压为0.2*21/√2=2.97V左右时作为失真的临界值。 增益带宽积为0.7~1.6MHz，实验值G.BW=(21/√2)*0.030MHz=0.45MHZ，与理论值有差距，可能的原因是实际放大电路的放大倍数不是21，或者是输入电压的取值不当。当频率达到上限频率时，输入输出信号的相位差也发生了变化，这是由于当达到上限频率运放中的阻抗元件滤除了部分高次谐波。
（2）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）。 （a）实验数据获取：
当输入的双极性方波信号的频率为12.9KHZ，电压值为 1VPP时，输出波形刚好是三角波，此时的输入输出波形如下：
（b）实验数据处理：
由上图将数据整理如下：
频率 12.9kHz 输入信号UiPP 1 V 输出信号UOPP 17.4V dUO/dt 0.445 （c）实验结果分析： 由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期（38.4μs）的时间。理论值为0.25-0.5V/μS，计算结果为0.445μS，在理论的范围内，符合理论值。
（3） 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。 （a）实验数据获取：
当输入的频率为30.44KHZ的正弦信号时，逐渐增加信号幅度，当峰峰值为1.1V时，输出的波形开始变形，此时的输入输出波形如下：
（b）实验数据处理：
由上图将数据整理如下： 频率 30.3kHz 输入信号UiPP 1 .1 V 输出信号UOPP 6.84V dUO/dt 0.409 （c）实验结果分析： 由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半
周期（16.6μs）的时间。理论值为0.25-0.5V/μS，计算结果为0.409μS，在理论的范围内，符合理论。
（4）RF改为10 kΩ，自己计算RP的阻值，重复内容二（1）（2）。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。
[1] 重复（1）： 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。
（a） 上限频率的测量
逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为415KHZ时，达到上限频率，波形如下如：
（b）实验数据整理 RF取值 （kΩ） 10 100 （c）实验结果分析：
RF=10kΩ,理论放大倍数降为2，由于增益带宽积为一定值，故增益倍数下降
上限频率fH (KHz) 414.9 30.30 t(μs) 0.48 4.40 相位差 T(μs) 2.41 33.00 Φ=t/T×360 o 71.7° 48°会使上限频率增大，本实验测量值414.9KHA，相比RF=10Kω的上限频率30.3KHZ,明显增大，符合理论分析；相位差也发生较大变化，运放对于输出电压的相位影响会越来越大。
[2] 重复（2）： （a）实验数据获取：
当输入的双极性方波信号的频率为130KHZ，电压值为 1VPP时，输出波形刚好是三
角波，此时的输入输出波形如下:
（b）实验数据处理
频率 130KHz 输入信号ViPP 1 V 输出信号VOPP 1.V dUO/dt 0.428
（c）实验结果分析：
由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期的时间。理论值为0.25-0.5V/μS，但测量值为0.428，在理论的变化范围内，实验值合理。
[3] 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： 在一定的转换速率下，频率越高，对输出信号的影响越明显，在高频输入信号的情况下输出信号会严重失真。
在高频下应该选用增益带宽积更高的运放，以防止由于高频带来的信号失真。
3. 内容三：
设计电路满足以下加法运算关系（预习时设计好电路图，并用Multisim 软件仿真) ：
Uo=-2Ui1+3Ui2
Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器Ui1为1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V（峰峰值）的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信号，用示波器观察输出电压Uo的波形，画出波形图并与理论值比较。实验中如波形不稳定，可微调Ui2的频率。 （1）加法运算电路设计 （a）仿真原理图
（b）参数选择计算
本次实验值使用了一个运放，利用运放同向端与反相端实现减法。对于反相端输入的信号，其单独作用时，电路结构为一反相输入比例运算电路，由UO=-RF/R1*Ui，根据题目给出的系数，可取RF(即为图中的R4)值为200 kΩ;对于反相端输入的信号，其单独作用时，电路结构为一同相输入比例运算电路，许多电路用分压器对Ui进行分压后输到反相端，此处由公式知，不必对Ui进行分压，选取一个合适的阻值作为平衡电阻即可，取R3=200 Kω. （c）仿真结果
（d）实验结果分析：
本实验电路实际上为一个加法电路，运用两个运放实现，由于正弦波的频率为5kHz，方波输出电压为1kHz在一个方波周期内应该出现五个周期的正弦波形，从实验所得波形可知波形正确，由于方波被反相放大，从图像上也可读得输出波形的相位与输入的方波相位相差180°，与理论相符。
四、实验体会： 本次实验，由于实验室的设备大部分都更新了，新的设备不仅使实验的操作更加数字化，实验的数据更加准确，最欣喜的一点使新的数字示波器能够将波形图截屏自动存到U盘中，准确又方便地保存实验结果。
本次实验电路比较简单，搭界起来非常容易。但是前期由于不知我们整个班的运放都有问题，前期测试的时候由于实验结果不对我检查了电路很久，所以耽误了很多时间。对实验的结果的理论预测也是非常重要的，进过理论预测，我们可以在做实验时有所参照，并比对数据的合理性。在搭试电路时，需要耐心和仔细，按照层次依次搭试，在测试电路时最好是先搭好电路再接上电源以防烧片。在电路出现问题，按照一定的次序排查问题：电路连线，共地与否，电源电压，实验仪器；一般经过这四步就可排除问题。
