实验04-运放基本运用.ppt

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1、 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。实验实验4 4 集成运算放大器集成运算放大器的基本运用的基本运用一、实验目的一、实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法掌握集成运算放大器的正确使用方法同相同相输入入/反相反相输入。入。2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运掌握用集成运算放大器构成各种基本运算算电路的方法。路的方法。3.进一步熟一步熟练使用示波器使用示波器DC、AC输入方入方式式观察波形的方法。察波形的方法。*重点掌握重点掌握积分器分器输入、入、输出波形的出波形的测量和描量和描绘方法。方法。检查上节内容自学效果信号源信号源&示波器示波器

2、的操作的操作n调整并显示一个调整并显示一个 500Hz，幅度，幅度1V的的 正正 方波方波 后面实验要用到计时开始4812162024283236404448525660运放运放电路分析基本方法路分析基本方法摘自理论课程摘自理论课程摘自理论课程摘自理论课程以同相放大器以同相放大器电路路为例：例：图中中输出通出通过负反反馈的作用，的作用，使使vn自自动地跟踪地跟踪vp，即即vp vn，或或vidvpvn0 0。这种种现象称象称为虚假短路，虚假短路，简称称虚短虚短。由于运放的由于运放的输入入电阻阻ri很大，很大，所以，运放两所以，运放两输入端之入端之间的的 ip=-in=(vpvn)/ri 0，这

3、种种现象称象称为虚断虚断。由运放引入由运放引入负反反馈而得到的而得到的虚短虚短和和虚断虚断两个重要概念，是两个重要概念，是分析由运放分析由运放组成的各种成的各种线性性应用用电路的利器，必路的利器，必须熟熟练掌握。掌握。集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用1.反相比例运算反相比例运算(放大器放大器)设运放运放为理想器件理想器件，则右右图电路的路的(2)为减小偏置减小偏置电流不良影响，增加直流平衡流不良影响，增加直流平衡电阻阻Rp=RfR1。(3)若若Rf=R1，则为倒相器倒相器，可作，可作为信号的极性信号的极性转换电路。路。(1)表面上似乎直接有表面上似乎直接有RfR1 Av；但；但电

4、阻阻选择还有其他条件限有其他条件限制，如：制，如：R1 大大则引起引起较大的失大的失调温漂；若温漂；若RfRi Av 大到大到M 级别，低档，低档电阻本身都不太阻本身都不太稳定，故定，故通常限定通常限定Rf为几十千欧几十千欧 几百几百千欧千欧。在此限定下，若。在此限定下，若Ri 和和Av设计要求相矛盾要求相矛盾则应改改电路！路！设计经验提示：提示：设计要求一般是要求一般是规定定Ri 和和Av （如教材（如教材P80的提法）的提法）属于属于电压并并联负反反馈，有：，有：输出出电阻阻 Ro0 (很好很好)输入入电阻阻 RiR1 (！？不！？不够大大)闭环电压增益增益信号从反信号从反相端输入相端输入

5、集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用2.同相放大器同相放大器闭环电压增益增益信号从同信号从同相端输入相端输入直流平衡电阻直流平衡电阻 Rp=R1/RF 若若Rf 0，R1=（开路），则为（开路），则为电压跟随器电压跟随器。电压相等但阻抗不同，一般做缓冲级及隔离级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同相放大器采用电压串联负反馈，所以负反馈，所以输入阻抗非常输入阻抗非常高高（理想状态是无穷大），（理想状态是无穷大），同时电路同时电路输出阻抗很低输出阻抗很低（接（接近近0）。因此广泛用于前置放）。因此广泛用于前置放大级大级。集成运算放大器的基本集成运算放大器的基

6、本应用用3.反相比例加法运算反相比例加法运算由分析可得：由分析可得：当当R1R2R时，则有时，则有从基本比例放大从基本比例放大电路可延伸出其他的基本路可延伸出其他的基本应用，比如加法器用，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，衡电阻，RR1/R2/R3。集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用4.反相比例减法运算反相比例减法运算从基本比例放大从基本比例放大电路可延伸出其他的基本路可延伸出其他的基本应用，比如减法器用，比如减法器有有当当R1=R2，R3R4时，时，在精度要求低的在精度要求低的场合，直流合，直流平

7、衡平衡电阻阻影响很小，其阻影响很小，其阻值不必精不必精确确甚至可短路掉；甚至可短路掉；但但此此处的的R3兼有兼有平衡和分平衡和分压双重作用，故阻双重作用，故阻值要根要根据分据分压来精确来精确计算并算并正确匹配正确匹配。集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用5.积分器分器式中，式中，RC为积分时间常数。为积分时间常数。若输入频率远低于右式若输入频率远低于右式（如直流输入）（如直流输入）,则电则电路稳态近似一个反相器，路稳态近似一个反相器，其低频电压增益最大不其低频电压增益最大不过过 右图理想化分析结果是右图理想化分析结果是 若输入为直流若输入为直流(电压电压=Vi)，则，则在在C充电过程

8、中有充电过程中有但运放输出受电源电压限制，故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。增加，而是到最大值后恒定。为限制电路的低频电压增益，可为限制电路的低频电压增益，可将反馈电容将反馈电容C与一电阻与一电阻RF并联。当并联。当输入频率大于输入频率大于 时时,电路起积分作用；电路起积分作用；由于电容由于电容C的容抗随输入信号的容抗随输入信号的频率降低而增加的频率降低而增加,结果是结果是 输输出电压随频率降低而增加。出电压随频率降低而增加。实际的积分器如下图实际的积分器如下图(a),(a),增加的直流负反馈电阻增加的直流负反馈电阻

9、RF比较大比较大（RF小就成了一阶低通滤波器）小就成了一阶低通滤波器）。不过。不过RF对对C有分流作用，有分流作用，导致积分误差，为此导致积分误差，为此通常要求通常要求 RF10R1、C1 F。若输入。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，波形如图如图(b)(b)所示：所示：（a）（b）集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用4.积分器分器集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用用6.微分器微分器由于电容由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小的容抗随输入信号的频率升高而减小,结果是结果是 输出电压随频率升输出电压

10、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之间接入一小之间接入一小电阻电阻Rs,实际的微分器电路如下图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，其波形关系如图波，则输出电压为正负对称方波，其波形关系如图(b)所示。所示。dvidt VO=RFC式中，式中，RFC为微分时间常数。为微分时间常数。右图理想化分析结果是右图理想化分析结果是集成运放直流供集成运放直流供电电源源问题 运放运放常用常用对称双称双电源源供供电，此方式下直流，此方式下直流工作工

11、作电源源电压应在在3V3V18V18V范范围内，而内，而电源源电压也限定了也限定了输出交流信号的峰出交流信号的峰值电压。例。例如如选定定电源源电压是是12V12V，则输出信号正峰出信号正峰/负峰的最大峰的最大值不会超不会超过12V12V（考（考虑运放自身运放自身约0.7V0.7V的的片内片内压降，降，输出最大出最大值会更低些）。当然也有一些会更低些）。当然也有一些单电源供源供电电路路请自行自行查阅资料。料。运放在实际使用中还有一些必须注意的问题，如调零、自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，在教材激、保护等，在教材p208p208面有详细讲解。不过由于课堂实验面有详细

12、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。论。本课程后面的实验中还有很多电路要用到集成运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，波形发生器算放大器，如：有源滤波器，波形发生器 所以所以关于关于集成运放的基础知识和电路分析方法集成运放的基础知识和电路分析方法必须扎实必须扎实地掌握。地掌握。实际上本课程的模拟实验部分最核心的器件就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

13、设计电路以达到性制的离散性能，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。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集成运算放大器的基本应用无限延伸用无限延伸 考试中的电路设计题，如果不明确说必须用三极考试中的电路设计题，如果不明确说必须用三极管，请管，请优先考虑集成运放电路优先考虑集成运放电路。总之，本课程考试。总之，本课程考试涉及到的基本知识点涉及到的基本知识点不限于实验教材不限于实验教材，要，要以原理课以原理课内容为标准内容为标准。比如：如何实现一个比如：如何实现一个输入电阻输入电阻为为20k欧姆，负载阻欧姆，负载阻抗为抗为10k欧姆，放大欧姆，放

14、大倍数倍数为为300倍的倍的同相同相放大电路？放大电路？若输入信号无直流分量，若输入信号无直流分量，峰峰值峰峰值不大于不大于100mv，则，则工作电源电压工作电源电压选为多少选为多少?集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用无限延伸用无限延伸集成运算放大器的基本集成运算放大器的基本应用无限延伸用无限延伸综合运放基本应用知识可知：综合运放基本应用知识可知：由于输入信号由于输入信号v2经过一级反相放大，经过一级反相放大，再与再与v1进入加法器，故其输出是：进入加法器，故其输出是：反过来反过来：可用上面的电路实现运算可用上面的电路实现运算voav1bv2 且且a b（只要（只要两级的比例合适，相

15、比用单级减法电路匹配电阻要容易些）。两级的比例合适，相比用单级减法电路匹配电阻要容易些）。又比如又比如：单电源自举式交流放大器单电源自举式交流放大器 请自行延伸！自行延伸！比如：比如：可以用加法器来实现减法运算，不过是多级，可以用加法器来实现减法运算，不过是多级，二、实验注意事项二、实验注意事项 本本实验采用采用LM324集成运算放大器和外集成运算放大器和外接接电阻、阻、电容等构成基本运算容等构成基本运算电路。路。LM324的引脚的引脚图如教材如教材p80面所示。面所示。实验时应注意下注意下列事列事项：1.组装装电路前路前须对所用所用电阻逐一阻逐一测量，作量，作好好记录。2.集成运算放大器的各

16、个管脚不要接集成运算放大器的各个管脚不要接错，尤其是尤其是正、正、负电源不能接反源不能接反，否，否则极易极易损坏坏芯片。芯片。集成芯片在面包板上的放置集成芯片在面包板上的放置17814集成运放LM324正、负电源的接法稳压电源稳压电源12V12V 12V+12V +GND +调好双调好双12V后关电源，接线路，检查接线是否确实后关电源，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）极性正确，再开电源（千万别接反，否则烧芯片）电路地电路地共共地地线线！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（

17、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）具体具体实验要求：要求：(1)参考参考图所示所示电路，路，设计并安并安装反相比例运算装反相比例运算电路，要求路，要求输入阻抗入阻抗Ri=10 k，闭环电压增增益益 A f=10。(2)在在电路路输入端加入端加1kHz正弦正弦电压，用，用示波器示波器测量量电路的路的输入和入和输出峰峰出峰峰值；改；改变 i的大小，再的大小，再测一次。研究一次。研究 i和和 的反相比例的反相比例关系，填表。关系，填表。计算算平均平均值得出得出实际Avf，与理与理论值比比较。vi voVopp理Vopp测vipp=

18、100mVvipp=200mV1.反相比例运算反相比例运算 4.4.1 反相比例运算反相比例运算电路路 1000mV2000mV2.比例比例积分运算分运算 此此电路和反相比例运算基本相同，不路和反相比例运算基本相同，不过加了加了电容容以及以及 输入信号入信号是正方波全是正方波全为正正电压的方波！所以如果有的方波！所以如果有较好的好的布局布布局布线习惯，硬件操作就非常，硬件操作就非常简单！比例比例积分运算分运算电路路 比例积分器的输入、出信号比例积分器的输入、出信号实验要求输入实验要求输入f=500Hz，幅值，幅值1V的的正正方波方波，务必设置示波器务必设置示波器通道通道直流直流耦合耦合来观测来

19、观测vi和和vo，画出其波形，测量出其幅值、周，画出其波形，测量出其幅值、周期和期和平均值平均值（检查点检查点）。）。Vi正电压正电压方波方波1V12示波器屏幕上示波器屏幕上显示的小箭头显示的小箭头是是0V的位置的位置Vo负电压负电压三角波三角波而而直流分量直流分量反相比例放大反相比例放大纯交流方波纯交流方波积分积分为三角波为三角波注意：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，但不表示这些这些运算电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）。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

20、分器的输入、出信号比例积分器的输入、出信号12图图4.4.8 反相比例加法和减法运算电路反相比例加法和减法运算电路3.反相比例加、减运算反相比例加、减运算 在在图中，中，vi为=1kHz 正弦波正弦波。S-A相接相接为加加法运算法运算 R=5.1k=RfR1R2 S-B相接相接为减减法运算法运算 R=100k=Rf。调节电位器位器RP，用，用示示波器波器测量量一一组vi1、vi2和和vo峰峰峰峰值；然后改；然后改变vi1，测量改量改变后的后的vi2和和vo峰峰峰峰值；自行；自行完成完成拟定表格。定表格。加法运算实验记录表加法运算实验记录表(减法表式样相同减法表式样相同)vi vovo理vo测v

21、i1=100mVvi2=自调vi1=200mVvi2=自动vi2 不要太接近不要太接近vi110K四、实验报告要求四、实验报告要求 1.在在绘制的制的电路路图加上加上实际操作操作时用的芯片管用的芯片管脚号。脚号。2.整理整理实验数据，填入数据，填入拟定的定的记录表格中。表格中。3.记录和描和描绘积分器分器vi和和vO的波形的波形(注意注意规范范)。*特特别注意注意vO是非是非对称波形，要称波形，要标明峰谷两个明峰谷两个值。4.（81面）思考面）思考题1，2，3。5.记录实验过程中出程中出现的故障或不正常的故障或不正常现象，象，分析原因，分析原因，说明解决的明解决的办法和法和过程。程。下次实验请

22、完成预习报告比例比例积分运算分运算电路路 vo vivo理vo测vi1=100mVvi2=自调vi1=200mVvi2=自动步骤步骤2常见故障，常见故障，请务必自行排除！请务必自行排除！输入输入正压方波正压方波通道通道直流耦合直流耦合电源电源 4 -11电源电源地电阻地电阻2积分：加积分：加C并改并改vi 正电压方波正电压方波；3加法：加法：还原还原vi，S-A，R也用也用9K4减法：减法：S-B，R=100K；考考验布局和布布局和布线水平！水平！10Kvi2 不要太接近不要太接近vi11.1.连接示波器和信号发生器，检查两仪器基本功能正常否；连接示波器和信号发生器，检查两仪器基本功能正常否；

23、2.2.开电源，调双路开电源，调双路12V12V，连出，连出3根线（根线（V V、V V、地！），关电源；、地！），关电源；3.3.插好反相比例电路；插好反相比例电路；4.连通电源芯片（4脚连V、11脚连V），检查接反否；检查接反否；5.连通电源电路电阻，共地！6.6.示波器（示波器（CH1CH1监测输入；监测输入；CH2CH2输出）；输出）；7.7.对着对着CH1CH1按要求调信号发生器按要求调信号发生器100mV100mV正弦波，正弦波，1KHz1KHz8.8.开电，观察记录；完成表格开电，观察记录；完成表格1 1；9.9.电路加电路加103103瓷片电容积分电路；瓷片电容积分电路；10.10.对着对着CH1CH1，调信号发生器，调信号发生器1V1V方波，方波，500Hz500Hz11.11.还要调信号发生器旋直流电平正方波还要调信号发生器旋直流电平正方波12.12.设示波器两通道耦合直流、直流设示波器两通道耦合直流、直流13.13.输出正确，记录，输出正确，记录，申请验收，申请验收，报输出平均值！报输出平均值！14.14.插好加法电路，插好加法电路，调信号调信号100mV正弦，正弦，1kHz 15.15.改为减法电路，改为减法电路，R R=100K=100K.完成表格完成表格3 3