集成电路实验4348.pdf

实验 1积分器和微分器（A741）【实验目的】（1）学会用集成运放设计积分器和微分器，熟悉电路原理 和元件参数的计算。（2）熟悉积分器和微分器的特点、性能，并会应用。【实验仪器】万用表，示波器，信号发生器，“集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1.A741 芯片简介 A741 是第二代集成运放的典型代表 是采用硅外延平面工艺制作的单片式高增益运放。其特点是：采用频率内补偿 具有短路保护功能 具有失调电压调整能力 具有很高的输入差模电压和共模电压范围 无阻塞现象，功耗较低，电源电压适应范围较宽 有很宽的输入共模电压范围，不会在使用中出现“阻塞”在诸如积分电路、求和电路及一般的反馈放大电路中使用，均不需外加补偿电容。A741 采用 DIP8 和 SO8 封装 图 11-2-1 A741 的引脚及功能 2 积分器 当开关 S1 断开时，IC1 及其周围元件构成反相型积分器 +IN OFFSETNELL +OFFSETNELV NC+V OUTPUT 积分器 广泛应用于扫描电路、A/D 转换和模拟运算等方面。其输出电压和输入电压的积分成线性关系。输出电压与输入电压的关系为 ttuCRtu)d(1)(i111o1 3 微分器 当开关 S1 断开、S2 闭合时，IC2 及其周围元件构成反相型微分器。图 11-2-2 积分器和微分器电路原理图 微分器 其输出电压和输入电压的微分成线性关系，广泛应用于波形变换和模拟运算等方面。输出电压与输入电压的关系为 tuCRtutdd)()(i225o2 4 积分器和微分器 当开关 S2 断开、S1 闭合时，IC1、IC2 及其周围元件构成积分器和微分器。图 11-2-2 积分器和微分器电路原理图【实验内容】1.电路设计与仿真 参照图 11-2-2 设计积分器和微分器。用 Multisim 软件对积分器和 微分器电路进行仿真。2.积分器（1）将开关 S1 断开。（2）调零：将输入端ui1接地，用数字万用表测输出电压 uO1，调节调零电位器Rp1，直至UO1=0（或UO10）。（3）输入方波信号：用信号发生器，在输入端 ui1 加入方波信号，频率为 100Hz，电压幅度为2V。用数字示波器观察 ui1、uO1 的波形，并记录其数值。输入信号的电压幅度不变，改变频率，观察并记录ui1、uO1的波形。输入信号的频率不变，改变电压幅度，观察并记录ui1、uO1的波形。（4）输入正弦波：用信号发生器，在输入端ui1加入正弦波信号，频率为 100Hz，电压有效值为 1V。用数字示波器观察ui1、uO1波形及相位差，并记录其数值。改变正弦波信号的频率，观察并记录ui1、uO1的波形及相位差。3微分器（1）将开关 S1 断开，S2 闭合。（2）调零：将输入端ui2接地，用数字万用表测输出电压uO2，调节调零电位器Rp2，直至UO2=0（或UO20）。（3）输入方波信号：用信号发生器，在输入端ui2加入方波信号，频率为 200Hz，电压幅度为2V。用数字示波器观察ui2、uO2的波形，并记录其数值 。（4）输入正弦波：用信号发生器，在输入端ui2加入正弦波信号，频率为 160Hz，电压有效值为 1V。观察并记录ui2、uO2的波形及相位差。改变正弦波信号的频率，观察并记录ui2，uO2的波形及相位差。4积分器和微分器（1）将开关 S2 断开、S1 闭合。（2）输入方波信号：用信号发生器，在输入端ui1加入方波信号，频率为 100Hz，电压幅度为2V。用数字示波器观察uo1、uo2的波形，并记录其数值。【实验总结】通过此次积分器和微分器实验，加深了我对积分器和微分器的了解，同时，也暴露我对仿真软件使用不够熟练，在今后的学习过程中，我会不断总结 Multisim 的技巧，达到熟练应用的目的。实验二 自动校零放大器【实验目的】（1）熟悉仪器放大器及其工作原理。（2）掌握 OPA2111 的使用方法和应用电路。（3）学会自动校零的方法，并会应用。（4）熟悉小信号放大器的性能和特点，并会应用。【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 直流稳压电源 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1OPA2111、INA106 芯片简介 OPA2111 是双低噪声精密运算放大器（BURR-BROWN，Dual Low-Noise Precision Difet Operational Amplifer），偏流极低（4pA），建立时间极短（1s 建立至精度），噪声很小，经自动校零可使失调电压低于 5V，零漂 VC，折算到输入端其零电位调节速率为2Vs。常用于仪器放大器和小信号放大器。OPA2111 采用 DIP8（或 006E）塑封和 TO-99（或 001B）金属封装。如图所示，是 OPA2111 引脚及功能。2自动校零仪器放大器 S1Key=Space R110kR2100R31MR4100kR5100kU1AOPA2111AM324815C11FVCC215VVCC1-15VVCC215VVCC2VCC1VCC1-15VS2Key=Space 0267U2AOPA2111BM32481VCC1VCC204318Ui12Uo34图 11-2-5 自动校零仪器放大器 2自动校零仪器放大器 图中 IC1A 是主放大器，IC1B 是辅助放大器。IC1B 配合 IC1A 完成自动校零功能。当开关 S1 打在 2，开关 S2 打在 4 时，完成自动校零；当开关 S1 打在 1，开关 S2 打在 3 时，完成小信号放大。图中参数对应的电压放大倍数为：Au=R2R1=100 倍。【实验内容及步骤】将“仪器放大器和差动放大器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1电路设计与仿真 参照图 11-2-5 设计自动校零仪器放大器，图 11-2-6 设计高精度差动放大器，Multisim 软件对以上两个电路进行仿真，并记录仿真结果。2自动校零 当开关 S1 打在 2、开关 S2 打在 4 时，完成自动校零功能，即零输入时，实现零输出。用数字万用表测量输出电压Uo，并记录数值。3仪器放大器-1 当开关 S1 打在 1、开关 S2 打在 3 时，完成小信号放大功能。（1）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，频率为 300Hz，电压（峰峰值）为 50mV。用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压数值，计算放大倍数。放大倍数为：=1.76725 221000=100（2）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，频率固定为 300Hz，将电压值逐渐加大。用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压数值，计算放大倍数。=22 1000 F/Hz 300 300 300 300 300 300 Ui/mV 50 100 150 200 250 300 Uo/V Av 1412 100 88 71 55 43 随着正弦波的电压不断增大，增益也不断增大，当电压增大到一定的时候，增益就不再增大了。3仪器放大器-2（3）用信号发生器在输入端Ui输入正弦信号，电压（峰峰值）固定为 50mV，频率逐渐加大。用数字示波器观察输出端Uo的波形，并记录输出电压的数值，计算放大倍数。=25 221000 F/Hz 300 500 1k 5k 10k 20k 30k Ui/mVp 50 50 50 50 50 50 50 Uo/V Av 100 100 100 100 100 99 98 由仿真电路可知，随着频率的增加，电压增益逐渐减少，最终增益为零。（4）在输入端Ui输入直流信号，电压为 5150mV。用数字万用表测试输出端Uo的电压，并记录输出电压的数值，计算放大倍数。=22 1000 F/Hz 300 300 300 300 300 300 300 Ui/mVp-p 5 35 65 95 125 155 205 Uo/V Av 100 100 100 100 98 86 70 实验三 差动放大器【实验目的】（1）熟悉差动放大器及其工作原理。（2）掌握 INA106 的使用方法和应用电路。（3）学会自动校零的方法，并会应用。（4）熟悉小信号放大器的性能和特点，并会应用。【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 直流稳压电源 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】（1）INA106 是单片增益差动放大器（BURR-BROWN，Precision Gain=10 Differential Amplifier），由一个精密运放和四个金属膜电阻组成，因四个电阻均经激光修正，所以具有很高的精度，其电压放大倍数的精度和共模抑制比均很高。INA106 可提供精密差分放大器的功能，无需精密电阻网络，可用于增益为 10、10、11 的差动放大及仪表放大。INA106 采用 DIP8 和 SO8 封装。如图所示，是 INA106 的引脚及功能。3高精度差动放大器 U1AOPA2111AM32481U3AOPA2111AM32481U2AOPA2111AM32481VCC215.0VVCC1-15.0VVCC1-15.0VVCC215.0VR11kR21kR31kR41kR51kR61kR71kVCC215.0VVCC2VCC121S1Key=A S2Key=A 56807VCC1-15.0VVCC19VCC21011VCC2VCC143E1E2Vi2Vi1Uo图 11-2-6 高精度差动放大器 在图 11-2-6 中，第一级是由 OPA2111 构成的高精度仪用放大器，第二级是由 INA106 构成的高精度差动放大器。当开关 S3、S4 断开时，信号由Vi2、Vi3输入，输出电压为 Uo=10（Vi2Vi3）当开关 S3、S4 闭合时，信号由E1、E2 输入，输出电压为)12(1000)12)(210(167oEEEERRU【实验内容及步骤】将“差动放大器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1电路设计与仿真 图 11-2-6 设计高精度差动放大器，Multisim 软件对以上两个电路进行仿真，并记录仿真结果。2差动放大器（1）将开关 S3、S4 断开，信号由Vi2、Vi3输入。在Vi2、Vi3输入端，分别加入直流电压，用数字万用表测量并记录输出端电压Uo的数值。（注：Vi2、Vi3电压之差要小于；Vi2、Vi3最大电压值应小于 10V。）（2）将开关 S3、S4 闭合，信号由E1、E2输入。用信号发生器在E1、E2输入端，分别加入方波信号，两路信号频率相同（注：范围为 100300Hz），两路信号电压范围在 100300mV。用数字示波器观察并记录输出端Uo的波形，并作出相应的解释。由仿真电路波形可知，在输入端稍微有一点变化，输出端就有较大的变化，从而提高精确度。实验四 单限电压比较器【实验目的】（1）熟悉单限电压比较器和双限电压比较器的工作原理、电路特性和应用方面。（2）掌握 LM311 的使用方法和应用电路。（3）掌握电压比较器设计、测试和调整的方法【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 直流稳压电源 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1LM311 芯片简介 LM311 是专用电压比较器芯片（High-Performance Voltage Comparator），电源电压范围大（5Vl5V）、偏置电流小（100nA）、失调电流小（）、差分输入电压范围大（30V）。其输出与 TTL、DTL 及 MOS 电路相容，并可驱动指示灯和继电器。可单电源供电，也可双电源供电，有集电极输出和发射极输出两种形式，还具有外部平衡调节端和选通控制端。LM311 采用 DIP8 和 SO8 封装。如图所示，是 LM311 的引脚及功能。2单限电压比较器 图 11-2-8 单限电压比较器（1）过零电压比较器 当开关 S1 闭合、S2 断开时，是过零电压比较器。IN+2IN-3EMIT OUT1BAL5COL OUT7BAL/STRB6IC1LM311Rp10kR5kS2S1+12V-12V+5VUi48Uo 当输入电压Ui0 时，输出高电平，Uo=5V；输入电压Ui0 时，输出低电平，Uo=0。（2）任意电平比较器 当开关 S2 闭合、S1 断开时，是任意电平比较器。调节电位器Rp，可得到任意参考电位Er （注：本电路设计 0Er5V）。当输入电压UiEr 时，输出高电平；输入电压UiEr 时，输出低电平，Uo=0。【实验内容及步骤】将“电压比较器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1单限电压比较器（1）过零电压比较器 当开关 S1 闭合时，用信号发生器在ui输入端加频率为 1kHz、电压有效值为 2V 的正弦波信号，用双踪示波器观察ui、uo 的波形，画出传输特性曲线。当开关S1闭合时，用 信 号发生器在ui输入端加正弦波信号，先固定输入信号的频率，逐渐改变输入信号电压值，用双踪示波器观察ui、uo 波形；由示波器的波形可知，随着输入电压逐渐增大，在电压小于 12V 的时候，输出电压仍未矩形波且幅值不变，一旦电压大于 12V，输出矩形波严重失真。再固定输入信号的电压值，逐渐改变输入信号的频率，用双踪示波器观察ui、uo 的波形。（2）任意电平比较器 当开关 S2 闭合时，调节电位器Rp，参考电位Er 得到一个数值，用信号发生器在ui输入端加入频率为 1kHz、电压有效值为 2V 的正弦波信号，用双踪示波器观察ui、uo 的波形，画出传输特性曲线。当开关 S2 闭合时，调节电位器Rp，参考电位Er 得到一个数值，用信号发生器在输入端ui加入正弦波信号，先固定输入信号的频率，逐渐改变输入信号的电压值，用双踪示波器观察ui、uo 的波形；再固定输入信号的电压值，逐渐改变输入信号的频率，用双踪示波器观察ui、uo 的波形。实验五 窗口电压比较器【实验目的】（1）熟悉双限电压比较器的工作原理、电路特性和应用方面。（2）掌握 LM311 的使用方法和应用电路。（3）掌握电压比较器设计、测试和调整的方法【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 直流稳压电源 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1LM311 芯片简介 LM311 是专用电压比较器芯片（High-Performance Voltage Comparator），电源电压范围大（5Vl5V）、偏置电流小（100nA）、失调电流小（）、差分输入电压范围大（30V）。其输出与 TTL、DTL 及 MOS 电路相容，并可驱动指示灯和继电器。可单电源供电，也可双电源供电，有集电极输出和发射极输出两种形式，还具有外部平衡调节端和选通控制端。LM311 采用 DIP8 和 SO8 封装。如图所示，是 LM311 的引脚及功能。2窗口电压比较器 窗口电压比较器可以用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间，把其中较小的一个电位称为下门限电位EmL，较大的一个电位称为上门限电位EmH，二者之差称为门限宽度Em。当输入信号ui落入门限宽度Em之内或“窗口”之内时，为一种逻辑电平（如为高电平），而输入电压在“窗口”之外时，为另一种逻辑电平（如为低电平），具有这种传输特性的比较器称为窗口电压比较器。如图 11-2-9 所示，是窗口电压比较器。【实验内容及步骤】将“电压比较器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1窗口电压比较器（1）用多路输出直流稳压电源给EmL、EmH提供参考电压，如取EmL=2V，EmH=4V，用信号发生器在输入端ui加入频率为 1kHz、电压有效值为 10V 的正弦波信号，用双踪示波器观察输入ui、输出uo波形，画出传输特性曲线。（2）改变EmH、EmL上下门限电压的数值，用双踪示波器观察输入ui、输出uo的波形。取EmL=2V，EmH=8V 时，【思考题】（1）电 压 比 较器是否需要调零 不需要。电压比较电路是个模拟电路,参考电压是给定的。（2）什 么 叫 传输特性它与波形图有什么区别 输入信号作为 X 坐标，输出信号为 Y 坐标，画出条曲线，就是传输特性曲线；波形图，是示波器上显示的波形。实验六 U/F 变换器和 F/U 变换器（LM331）【实验目的】（1）熟悉 U/F 变换器和 F/U 变换器的工作原理、电路特性和 应用方面。（2）掌握 LM331 的使用方法和应用电路。（3）熟悉将电压信号转换成为频率信号的设计和调试方法。（4）熟悉将频率信号转换成为电压信号的设计和调试方法。【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 直流稳压电源 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1LM331 芯片简介 LM331 是美国 NS（National Semiconductor）公司生产的性价比较高的集成芯片（U-F Converter）;可用作 F/U 变换器、U/F 变换器、A/D 变换器、线性频率调制解调、长时间积分器等。其内部由输入比较器、定时比较器、R-S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关和输出保护管等部分组成。其主要技术指标：动态范围宽，可达 100dB；线性度好；最大非线性失真小于%；频率范围 1Hz100kHz；输入电压范围+Vcc（V）；功耗 500mW；采用双电源供电或单电源供电，可工作在40V 之间，输出高达 40V，且可防止 Vcc 短路；变化精度高，数字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可构成 F/U 变换器或 U/F 变换器，且容易保证转换精度。LM331 采用 DIP8（或 N08E）封装。如图所示，是 LM331 引脚及功能。2U/F 变换器 输出频率和输入电压之间的关系为 3F/U 变换器 图 11-2-13 F/U 变换器 输出频率和输入电压之间的关系为 i2tt2SLo209.2fCRRRU【实验内容及步骤】将“U/F 变换器和 F/U 变换器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1 U/F 变换器 用直流稳压电源在输入端Ui1输入直流电压，使Ui1从 0V 开始，逐渐加大电压值，用数字示波器观察输出端fo2的波形，读出频率值。（1）记录输入电压值和输出频率值的对应关系。（2）记录输入电压和输出频率的变化范围。CMPR7R/C5C REF2C OUT1FREQ OUT3THR6IC1LM331R368kR110kR210kR10kCt0.01uC11uC1uRp2110kR2t6.8kUo2+15Vfi2+15VR42.4kLL+15V84Ui1/V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 fo1/Hz 2667 5319 7935 10582 13201 15819 18513 21078 23679 26502 CMPR7R/C5C REF2C OUT1FREQ OUT3THR6IC1LM331R347R1100kR275kR510kCt0.01uC21uRp115kR1t6.8kfo1+15VUi1+5VR410kC11u4+15V8ttSiRCRRUf12101109.2Ui1/V 112 fo1/Hz 266729201（3）调节电位器Rp11，观察频率的变化。Rp11/500 1k 2k 3k Ui1/V 112 112 112 112 fo1/Hz 224722989 234424038 258026315 289828985（4）调节电位器R1t，观察频率的变化。R1t/1k 3k Ui1/V 112 112 112 112 fo1/Hz 909197087 606064935 305333057 204021834 2F/U 变换器 用信号发生器在输入端fi2加入方波信号，使fi2从 1Hz 开始（输入电压范围为 320V），逐渐加大信号频率，用数字示波器观察输出端uo2的波形。（1）记录输入频率值和输出电压值的对应关系。f/Hz 1 3 4 Uo/mV 323 573 764 809 830 863 867 871（2）记录输入频率和输出电压的变化范围。f/Hz 14 Uo/mV 323871（3）调节电位器Rp21，观察电压的变化。Rp21/1500 6500 9500 f/Hz 14 14 14 Uo/mV 123604 2191103 4282276（4）调节电位器R2t，观察电压的变化。R2t/1350 4400 6120 f/Hz 14 14 14 Uo/mV 173862 180869 186873 实验七 二阶低通有源滤波器（LM741）【实验目的】（1）熟悉二阶低通有源滤波器及其工作原理（2）掌握 LM741 的使用方法和应用电路【实验仪器】万用表，示波器，信号发生器，扫频仪，“集成电路原理及应用”实验箱【实验步骤】（1）选取一个示波器，A 通道连到 V1，B 通道连到运放的输出端，再选取一个波特仪，IN端子连到 V1，OUT 端子连到运放输出端（2）修改参数：按照原理图修改元器件参数，其中 V1 的频率为 50Hz（3）检查无误后，开始仿真，观察示波器仿真波形图和波特仪的幅频特性曲线 （4）增大信号源频率，观察输出电压的大小变化 f=100Hz 实验八 函数信号发生器（ICL8038）【实验目的】（1）掌握 ICL8038 的特点、功能和应用电路。（2）熟悉由 ICL8038 构成的函数信号发生器工作原理。（3）掌握调试函数信号发生器的方法。【实验仪器】万用表 示波器 信号发生器 “集成电路原理及应用”实验箱【实验原理】1ICL8038 芯片简介 ICL8038 是精密波形产生与压控振荡器，它能同时产生正弦波、方波、三角波。ICL8038 具有以下主要参数和主要特点：（1）工作频率范围：500kHz。（2）波形失真度：不大于。（3）同时有三种波形输出：正弦波、方波、三角波。（4）电源：单电源为+10V+30V，双电源为5V15V。（5）足够低的频率温漂：最大值为 50ppm/C。（6）改变外接电阻、电容值，可改变输出信号的频率范围。（7）外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比。（8）使用简单，外接元件少。ICL8038 采用 DIP14 封装。如图所示，是 ICL8038 的引脚及其功能。2由 ICL8038 构成的函数信号发生器电路原理图 图 11-2-15 由 ICL8038 构成的函数信号发生器电路原理图 在图 11-2-15 中 8 脚为调频电压控制输入端。该芯片的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与 9 脚之间外接一个电阻，图中R3=。电位器RP2的作用是调节占空比或调节波形对称性。调节RP1、RP2、RP3可使正弦波的失真度达到较理想的程度；其中，电位器RP1的作用是调频偏；电位器RP3的作用是调节低频信号对称性。当RP2滑动端在中间位置时，若调节RP1，即改变正电源+VCC与 8 脚之间的控制电压（即调频电压）；调节RP2可调节占空比或波形对称性，即可得到脉冲波和锯齿波。当RP2的滑动端位于中间位置时，可得到标准的方波和三角波。调节电源电压可调节输出信号的幅度。【实验内容及步骤】将“函数信号发生器”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1234567891011121314IC1 ICL8038R44.7kR510kR76.8kR120kR34.7kR24.7kR610kS2S1S3Rp110kRp21kRp4100 kRp3100 kC1105C3221C2103C4104C5224VT1805 0SINE OUTSQUARE OUTTRIANGLE OUT10-30V 1将开关 S2 闭合，开关 S1、S3 断开。调整电位器Rp2，使方波的占空比达到 50；用示波器观测方波输出端的波形。通过调节电位器Rp1，可调节方波的频率。通过调节电源电压可调节方波的幅度。（即调节在“集成稳压电源”模块上电位器“Rp1”）2将开关 S2 闭合，开关 S1、S3 断开。保持方波的占空比为 50不变，用示波器观测正弦波输出端的波形，反复调整电位器Rp4、Rp3、Rp1，使正弦波不产生明显失真。通过调节电位器Rp1，可调节正弦波的频率。通过调节电源电压，可调节正弦波的幅度。3将开关 S2 闭合，开关 S1、S3 断开。保持方波的占空比为 50不变，用示波器观测三角波输出端的波形。通过调节电位器Rp1，可调节三角波的频率。通过调节电源电压，可调节三角波的幅度。4参考以上 3 个步骤，再分别将开关 S1 闭合（同时开关 S2、S3 断开）、S2 闭合（同时开关 S1、S3 断开）、S3 闭合（同时开关 S1、S2 断开），调整电位器Rp2，使方波的占空比在 1090范围内变化，用示波器分别观测方波、正弦波、三角波信号输出端的波形。占空比 41%占空比 56%占空比%5参考以上 4 个步骤，分别调节电位器Rp1、Rp2、Rp3、Rp4。（1）用示波器分别观测方波、正弦波、三角波的波形变化情况。（2）用示波器分别记录几组（其中包括电位器置于低端和高端时）方波、正弦波、三角波信号输出端的波形及频率值。f=f=158Hz f=