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  • 运算放大电路
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    2022-01-29 22:37:16
    • 实验目的和要求*(目的5分,要求5分)

    实验目的:

    1. 通过实验,进一步理解集成运算放大器线性应用电路的特点
    2. 掌握集成运算放大器线性应用电路的设计方法。
    3. 学会使用仿真平台搭建电路并且现场实际搭建运算放大器放大电路

    实验要求:

    1. 利用集成运放电路实现非线性运算功能:正在上传…重新上传取消
    2. 根据现场提供的乘法器以及运算放大器芯片搭建电路
    3. 需要自己设计电路图并进行仿真通过
    4. 搭建完电路需要老师对电路进行检查

    • 实验原理和内容*(原理15分,内容5分)

    实验原理:

    1. 乘法器功能

    正在上传…重新上传取消

    1. 反向运算放大器

    正在上传…重新上传取消

    我们可以得到输出:

    正在上传…重新上传取消

    3)同向运算放大器

    正在上传…重新上传取消

    我们可以得到输出:

    正在上传…重新上传取消

    4)差分运算放大

    正在上传…重新上传取消

    我们可以得到输出

    正在上传…重新上传取消

    实验内容

    1.  利用集成运放电路实现非线性运算功能: 正在上传…重新上传取消

    2.  根据现场提供的乘法器以及运算放大器芯片搭建电路

    3.  需要自己设计电路图并进行仿真通过

    三、主要仪器设备(10分)

            名称                             型号或规格

    运算放大器

    LM384

    乘法器

    AD835

    信号发射器

    SDG 2082X

    示波器

    SDS 1202X-E

    稳压电源

    SPD 3303X-E

    四、实验步骤及操作方法*(共20分,其中电路图和参数10分)

    1. 实验原理设计

    自己设计的电路如下所示,根据自己的推导得到的参数关系,理论上是可以实现非线性运算功能:正在上传…重新上传取消

    正在上传…重新上传取消

    1. 线上仿真实现

    通过仿真软件Multisim搭建仿真电路,验证自己设计电路的正确性

    正在上传…重新上传取消

    仿真结果如下

    正在上传…重新上传取消

    仿真结果分析:

    基本上符合理论预期

    正在上传…重新上传取消

    五、实验数据记录和处理(根据实验需要自行撰写20分)

    1. 产生正负5v的电源供电用于给芯片供电

    正在上传…重新上传取消

    1. 实际搭建的电路如下所示

    正在上传…重新上传取消

    3)当给定信号1幅值为2,信号2幅值为1时产生的实验结果如下

    正在上传…重新上传取消

          

    4)当给定信号1幅值为3,信号2幅值为2时产生的实验结果如下

    正在上传…重新上传取消

          

    5)给给定信号1幅值为4,信号2幅值为2时,产生的实验结果如下

    正在上传…重新上传取消

        6)数据处理正在上传…重新上传取消

    根据实验要求,理论上我们应该得到正在上传…重新上传取消的输出,

    正在上传…重新上传取消正在上传…重新上传取消正在上传…重新上传取消

    2

    1

    3.76

    3

    2

    2.76

    4

    2

    3.36

       

    7)现场实验过程如下:

    正在上传…重新上传取消

    六、实验结果与分析 20分)

          1)实验结果已经可以达到实验要求:正在上传…重新上传取消  也是符合线上仿真实验的结果

          2)信号通过运算放大器和乘法器,产生的波形符合理论的预测,对于直流信号,误差非常小,输入正弦信号,得到的电压峰值会波动。

        3)当信号1和信号2都是正弦交流信号时,叠加后得到的波形,幅值会有偏移,从而得到的波形会出现部分失真,于是我才用更改信号1和信号2的频率满足信号1的频率为信号2频率的两倍,得到的结果会比较好,波形显示的也比较完整。

    七、讨论、建议、展望 10 分)

          通过这次实验,我熟练掌握了示波器,信号发射器以及数字电源等仪器的使用,并且自己搭建实际电路,第一次搭建电路出现的问题比较多,花费的时间也是比较多,我觉得问题主要是对于实际的运算放大器芯片和乘法器芯片的掌握不是很够,实际原件和仿真平台的元件差别还是比较大。

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    一、实验目的

            1.掌握用集成运算放大电路组成比例、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。

    二、实验仪器

            1.数字万用表

            2.示波器

            3.信号发生器

    三、预习要求

            1.计算表6.1中的V_oA_f ,图6.1为电压跟随电路,U_o 等于U_iA_f=1

            2.估算表6.3的理论值

            3.估算表6.4、表6.5中的理论值

            4.计算表6.6中的V_o

                    \small \frac{U_{i1}}{R_1}+\frac{u_{i2}}{R_2}=-\frac{U_o}{R_F},根据公式计算U_o分别为-5V和1V

            5.计算表6.7中的V_o值 

                    u_P=u_N    u_P=\frac{R_3}{R_2+R_3}\cdot U_{i2}     \frac{U_{i1}-u_N}{R_1}=-\frac{U_o-u_N}{R_F}   根据公式计算U_o分别为-7.25V,-10.1V和-3.1V

    四、实验内容

    1.电压跟随电路

    实验电路如图6.1所示。

    图6.1  电压跟随电路

    按表6.1内容实验并测量记录。

    表6.1

    V_i(V)

    -2

    -0.5

    0

    +0.5

    1

    V_o(V)

    RL=∞

    -2.000

    -0.502

    0.012

    0.501

    1.003

    RL=5K1

    -2.000

    -0.501

    0.012

    0.501

    1.003

    2.反相比例放大器

    实验电路如图6.2所示。

    图6.2  反相比例放大电路

    (1)按表6.2内容实验并测量记录。

    表6.2

    直流输入电压Vi(mV)8

    30

    100

    300

    1000

    3000

    输出电压VO

    理论估算(mV)

    -300

    -1000

    -3000

    -10000

    -12000

    实际值(mV)

    -286

    -986

    -2974

    -9777

    -9831

    误差

    0.047

    0.014

    0.009

    0.022

    0.181

          (2)按表6.3要求实验并测量记录。

    表6.3

    测试条件

    理论估算值

    实测值

    ΔV0(mV)

    RL开路,直流输入信

    号Vi由0变为800mV

    -8000

    -7946.9

    ΔVAB(mV)

    0

    2.5

    ΔVR2(mV)

    0

    -0.02

    ΔVR1(mV)

    800

    795.7

    ΔV0L(mV)

    RL由开路变为5K1, Vi=800mV

    0

    2.4

      (3)测量图6.2电路的上限截止频率。     

    上限截止频率是60.8KHz

    3.同相比例放大电路

    电路如图6.3所示

    1. 按表6.4和6.5实验测量并记录。

    图6.3  同相比例放大电路

    表6.4

    直流输入电压Vi(mV)

    30

    100

    300

    1000

    3000

    输出电压VO

    理论估算(mV)

    330

    1100

    3300

    11000

    12000

    实际值(mV)

    356

    1144

    3373

    11185

    11249

    误差

    0.079

    0.04

    0.022

    0.017

    -0.063

    表6.5

    测试条件

    理论估算值

    实测值

    ΔV0

    RL开路,直流输入信

    号Vi由0变为800mV

    8800

    8811

    ΔVAB

    0

    70

    ΔVR2

    0

    -0.5

    ΔVR1

    0

    -35.1

    ΔV0L

    RL由开路变为5K1, Vi=800mV

    0

    3.5

    1. 测出电路的上限截止频率

    上限截止频率是54.7KHz

    4.反相求和放大电路。

    实验电路如图6.4所示。

    按表6.6内容进行实验测量,并与预习计算比较。

    图6.4  反相求和放大电路

    表6.6

    Vi1(V)

    0.3

    -0.3

    Vi2(V)

    0.2

    0.2

    VO(V)

    -5.031

    1.0989

       

    5.双端输入求和放大电路

    实验电路为图6.5所示。

    图6.5  双端输入求和电路

    表6.7

    Vi1(V)

    1

    2

    0.2

    Vi2(V)

    0.5

    1.8

    -0.2

    VO(V)

    -7.335

    -9.414

    -3.113

          按表6.7要求实验并测量记录。

    五、实验报告

    1.总结本实验中5种运算电路的特点及性能。

    (1)电压跟随器:输出电压与输入电压同相,电压增益近似1,加入负载与不加入负载对输出电压影响不大,可以说此电路具有较小的输出电阻,而且后级的电阻变化不会影响前一级的性能,有良好的阻断前后级的作用。

    (2)反向比例放大器:输出极性与输入相反,由于引入了深度并联电压负反馈,原本输入电阻等于反馈电阻,加上引入电压负反馈,输出电阻更小,近乎于0。放大倍数只与外部电阻R1 、Rf 有关,与运放本身参数无关,反相比例放大器存在虚短现象u-=u+=0 ,所以反相输入端“虚地”,输入电压基本加到R1 电阻上,输入电阻等效于R1 ,负反馈的调节是动态调节,假设图中所示电路中的Vi 是正的,于是通过电阻R1 的传导路径,在反相输入端出现正电压,导致输出电压Vo 变成负的,这一负电压又通过电阻器Rf 的传导路径返回,影响反相输入端的电压,使此处的电压几乎完全被抵消。如果输入电压Vi 变为负的,则反馈回来的电压将是正的,仍然会几乎完全抵消运放输入端的电压,这种近于彻底的抵消只能发生在非饱和运放中,然而一旦运放饱和,输出电压就变成恒量,因此反馈电压的大小不能跟随输入电压而增长,所以运放放大电压是有极限的。

    (3)同相比例放大电路:输入电压与输出电压同相,u-=u+0 ,同相输入端不存在“虚地”现象。输入阻抗就是运放的阻抗,理论上理想运放的输入阻抗为无穷。因为引入了深度电压负反馈,放大倍数只与外部电阻R1 、Rf 有关,与运放本身参数无关。对于同样的电阻,此种放大器的电压增益要比反相放大器稍微大些。和反相放大器相比,这种电路的一大优点是输入电阻特别高。

    (4)反相求和放大电路: 输入信号加在反相输入端 引入深度电压并联负反馈 集成运放工作在线性区 输出电压与输入电压相位相反,满足Uo=-RfR1⋅Ui ,输入电阻为R1 ,输出电阻近似为零,带负载能力强,输出电压稳定,可以用作反向器。

    (5)双端输入求和放大电路:输入信号加在同相输入端,引入深度电压串联负反馈,集成运放工作在线性区,输出电压与输入电压相位相同满足Uo=1+RfR1⋅Ui ,输入电阻很大,输出电阻几乎为零,带负载能力强,输出电压稳定,可以用作电压跟随器。

    2.分析理论计算与实验结果误差的原因。

    1. 理论计算运放是共同遵循“虚断”,“虚地”分析规则,但是实际的运放不一定是这样,如表6.3,理论值与实际值有一定的出处。
    2. 理论计算忽略了接线和电线的阻抗,放大倍数与电阻的比值息息相关。
    3. 输入电压有一定波动,不可能完全平整的波形,导致输出电压的电压也有波动,无法准确读数。
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    1.集成运算放大电路的特点 集成运算放大电路,简称集成运放,是一个高性能直接耦合的放大电路。因而首先用于信号的运算,故而得名。 ①直接耦合的方式,充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。...

    一.概述

    1.集成运算放大电路的特点

    集成运算放大电路,简称集成运放,是一个高性能直接耦合的放大电路。因而首先用于信号的运算,故而得名。
    ①直接耦合的方式,充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。
    ②用复杂的电路实现高性能的放大电路,因为电路的复杂化并不带来制造工艺的复杂性。
    ③用有源元件代替无源元件,例如用晶体管来代替难于制作的大电阻。
    ④-采用复合管。

    2.集成运放电路的组成

    在这里插入图片描述
    ①偏置电路:为各级放大电路设置合适的静态工作点,采用电流源电路
    ②输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求输入电阻大,差模放大倍数大,共模放大倍数小,输入端耐压高。
    ③中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力
    ④输出级:功率级,多采用准互补输出级,要求输出电阻小,最大不失真输出电压尽可能的大。

    3.集成运放的符号和电压传输特性

    在这里插入图片描述
    注:这里特意标注的为开环放大倍数,是在输出端没有反馈的情况下得到的放大倍数。

    二.集成运放中的电流源

    1.镜像电流源

    在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
    在这里插入图片描述
    注:以上电路存在一个弊端,就是如果作为一个集成运放输入级的偏置电路,要求电流特别小的时候,所需要的电阻R阻值就非常大,因此微电流源电路就应运而生

    2.微电流源

    在这里插入图片描述

    3.多路电流源

    很多情况下放大电路有很多级,因此就需要有多个电流源来给每一级进行电流的供应,从而有更好的静态工作点的设定。这样就产生了多路电流源
    在这里插入图片描述
    注:多路电流源一定有一个基准电流,其它路的电流都会与基准电流产生联系。

    3.有源负载

    如果在集成电路里安置了阻值非常大的电阻,这样就会影响集成度。因此在有些需要大电阻的情况下,都会选择用有源元件来替代无源元件。

    三.集成运放的电路分析及其性能指标

    1.读图方法

    ①了解用途:了解要分析的电路应用场合,用途和技术指标
    ②化整为零:将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路
    ③分析功能:定性的分析每一部分的基本功能和特性
    ④统观整体:电路相互连接关系以及连接成功后电路实现的功能和特性
    ⑤定量计算:必要时可估算或计算电路的性能参数

    2.举例:F007通用型集成运放

    对于集成运放首先应该找出其偏置电路,然后根据信号流通的顺序将其分为输入级,中间级和输出级。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    注:此集成运放中基准电流R5支路的电流。此基准电流与T12管的射极电流相同,T12管与T13管组成镜像电流源,通过镜像的关系T13管为后级提供电流。T10与T11管组成一个微电流源,通过T11管的集电极电流近似等于基准电流,通过微电流源两只管子的关系可以求解出T10管的集电极电流,T10管的集电极与T9管的集电极相连接,然而T8管与T9管又组成一个镜像电流源,T8管通过折射T9管的电流来给输入级进行供电。这就是上述集成运放偏置电路的作用
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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    对于节点N,有Ir=If,故有

    整理可得:

    1.同向比例运算电路

    电路引入了电压串联负反馈,可以认为输入电阻无穷大,输出电阻为零,Un=Up=Ui,Ir=If。

     

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