电子电路实做实验5(运算电路)

电子电路开放实验讲义

（集成运算放大器的运用之运算电路）

1. 实验目的

（1）熟悉集成运算放大器的构成，掌握集成运算放大器的正确使用方法。 （2）掌握运算放大器的基本应用，深刻理解集成运算放大器“虚地”、“虚短”、“虚断”的基本概念。 （3）掌握由集成运算放大器组成的基本运算电路，并验证电路的运算功能。 （4）掌握由集成运算放大器组成的基本运算电路的设计方法。 2. 实验仪表及器材 （1）双踪示波器

（2）双路直流稳压电源 （3）函数信号发生器 （4）数字万用表

3. 实验电路图

如图1-3、图1-4、图1-5、图1-6、图1-7所示。

4. 知识准备

（1）复习集成运算放大器的相关理论知识。

（2）查阅集成电路数据手册，了解µA741的性能参数和管脚排列及使用方法 （3）根据理论知识对实验电路所完成的运算功能进行理论计算。

5. 实验原理

集成运算放大器是一种高增益的直接耦合放大器；在众多的模拟集成电路中，它是最基本、用途最为广泛的一种放大器件；在外部反馈网络的配合下，其输出与输入之间可以灵活地实现各种特定的函数关系。按照性能的不同，集成运算放大器分为通用型和专用型。本次实验选用的是通用型集成运算放大器µA741 ； 它是一种具有内部频率补偿，有短路保护等特点的高性能集成运算放大器。其管脚排列如图1-1所示，电路符号如图1-2所示。

图1-1 µA741管脚排列图 图1-2 µA741电路符号图

理想的运算放大器具有如下性质： a. 开环差模电压增益Aod=∞； b. 差模输入电阻Rod=∞； c．输出电阻Ro=0；

d．共模抑制比KCMR=∞；

e．输入失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂均为零。

在分析估算由集成放大器组成的应用电路时，运用这些性质可以简化分析过程，直接得到结论。

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（1）理想运算放大器工作在线性区时具有的重要特点

a. 理想运放的差模输入电压为零，即运放的同相输入端与反相输入端的电压相等，如同将两点短路一样。但这两点并非真正被短路，故称之为“虚短”。

b. 理想运放的差模输入电流为零，即运放的同相输入端与反相输入端的电流都等于零，如同这两点被断开一样，故称之为“虚断”。

集成运放的一个重要应用方面就是实现模拟信号的运算；运用上述两个特点，可以运用集成运放组成比例求和、减法器等运算电路。

（2）理想运算放大器工作在非线性区时具有的重要特点

a. 理想运放的输出电压的值只有两种可能：或等于运放的正向最大输出电压，或等于负向最大输出电压，即：

当UU时，UOUOPP(+) 当UU时，UOUOPP(-)

因此在非线性区，运放的净输入电压可能很大；此时“虚地”现象不存在。

b．理想运放的输入电流等于零。在非线性区，虽然运放的两个输入端电压不等，但因为理想运放的差输入电阻为∞，故仍可认为此时的输入电流为零。

电压比较器的集成运算放大器通常工作在非线性区。它是一种模拟信号处理电路，其作用是与输入端的模拟信号的电平进行比较，然后将结果反映在输出端。多数情况下，运放的一个输入端接固定不变的参考电压，另一个输入端接变化的电压信号。比较器只有两种输出状态：高电平或低电平。

本实验为集成运算放大器的线性应用。集成运算放大器在线性应用时，均构成深度负反馈工作状态，由于集成运算放大器参数接近理想值，所以输入输出关系由外部电路决定。在深度负反馈工作状态下，在某些频率可能产生附加相移，使电路工作不稳定，因而需要考虑频率补偿问题。当放大含有直流分量的信号时，为了补偿输入失调电压的影响，保证零输入时为零输出，必须考虑调零问题。

（3）集成运算放大器的线性运用 a．反相放大器

图1-3所示电路为反相放大器的实用电路。 在运放理想的情况下，放大器的闭环增益为：

AuuouiRfR1

由于反相输入组态为深度并联负反馈，闭环输入电阻下降为外接电阻R1//Rf；因此设计放大电路时，需根据对输入阻抗的要求，

图1-3 反相放大器

适当选择R1、Rf，一般阻值不能取得过大，以免引起较大的失调温

漂；R2=R1//Rf是直流平衡电阻，用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调。图中信号源的内阻应包含在R1中。

由于电压并联深负反馈的结果，反相输入端呈“虚地”状态，称为“虚地点”。这个“虚地点”是反相放大器所特有的，它给以反相放大器为基础的各种电路的分析带来了极大的方便。

b．同相放大器

图1-4所示电路为同相放大器的实用电路。 在运放理想的情况下，放大器的闭环增益为：

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Auuoui1RfR1

图中R2=R1//Rf是直流平衡电阻，用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调。图中信号源的内阻应包含在R2中。

图1-4 同相放大器

与反相放大器存在“虚地点”不同，同相放大器的运放输入

端得客观地存在着一对共模信号。因此，在构成同相放大器时，为了减小输出的运算误差，应该采用KCMR较大的运算放大器。

c．反相比例加法器

图1-5所示电路为反相比例加法器的实用电路。 在运放理想的情况下，放大器的输出为：

uo(RfR1ui1+RfR2ui2)

图中R3=R1//R2//Rf是直流平衡电阻，用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调。图中信号源的内阻应包含在R1和R2中。

d．差动放大器

图1-6所示电路为差动减法器的实用电路。 在运放理想的情况下，放大器的输出为:

uo(1+RfR1)RpR2Rpui2RfR1ui1

图1-5 反相比例加法器

uo当R1=R2,Rf=Rp时，

RfR1(ui2ui1)；显然uo与(ui2ui1)图1-6 差动放大器

成正比，实验电路就是常说的差动放大器。

当R1=R2Rf=Rp时，uoui2ui1；实验电路就构成一个减法器。 e．反相积分器

如图1-7所示电路为反相积分器的实用电路。 在运放理想的情况下，放大器的输出为：

uo1R1Cui(t)dt

图中，C为反馈元件，Rf为分流电阻。一般取Rf10R1；Rf是给直流提供反馈通路，避免失调电压在输出端产生积累而使积分器产生饱和，甚至不能工作。Rf取大些可改善积分的线性度。

R2=R1//Rf是直流平衡电阻。

图1-7 反相积分器

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由公式可以看出，输出是输入对时间的积分，负号表示输入出输出反相。 当输入信号为方波时，输出信号为三角波；其输出电压的峰峰值为：

uopp1uippT2R1C2

当取时间常数=R1CT（T为输入信号的周期）时，其输出电压的峰峰值为：

1uippT2R1C2uipp4uopp=

6. 实验内容及步骤 （1）反相放大器

① 按图1-3所示正确搭接电路。

② 将直流稳压电源的两路输出均调到12V，并正确接入电路（注意正负电源的接法）。 ③ 输入正弦信号（频率为1KHz、幅度100mv左右）；用示波器观察输入信号与输出信号；在输出不失真的情况下（若有失真，则减小输入信号的幅度），测出输入信号与输出信号的幅度，计算电压增益Au；记录两信号的相位关系，绘制相应波形。 （2）同相放大器

① 按图1-4所示正确搭接电路。

② 将直流稳压电源的两路输出均调到12V，并正确接入电路（注意正负电源的接法）。 ③ 输入正弦信号（频率为1KHz、幅度100mv左右）；用示波器观察输入信号与输出信号；在输出不失真的情况下（若有失真，则减小输入信号的幅度），测出输入信号与输出信号的幅度，计算电压增益Au；记录两信号的相位关系，绘制相应波形。 （3）反相比例加法器

① 按图1-5所示正确搭接电路。

② 将直流稳压电源的两路输出均调到12V，并正确接入电路（注意正负电源的接法）。 ③ 输入正弦信号（频率为1KHz、幅度50mv左右）；用示波器观察输入信号与输出信号；在输出不失真的情况下（若有失真，则减小输入信号的幅度），测出输入信号与输出信号的幅度；记录信号间的相位关系，绘制相应波形。 （4）差动放大器

① 按图1-6所示正确搭接电路。

② 将直流稳压电源的两路输出均调到12V，并正确接入电路（注意正负电源的接法）。 ③ 输入正弦信号（频率为1KHz、幅度分别为50mv、30mv左右）；用示波器观察输入信号与输出信号；在输出不失真的情况下（若有失真，则减小输入信号的幅度），测出输入信号与输出信号的幅度；记录信号间的相位关系，绘制相应波形。 （5）反相积分器

① 按图1-7所示正确搭接电路。

② 将直流稳压电源的两路输出均调到12V，并正确接入电路（注意正负电源的接法）。 ③ 输入方波信号（频率为10KHz、峰峰值为400mv左右）；用示波器观察输入信号与输出信号；在输出不失真的情况下（若有失真，则减小输入信号的幅度），测出输入信号与输出信号的峰峰值；记录信号间的相位关系，绘制相应波形。

7. 实验报告要求

（1）整理实验数据；绘制相应波形。

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（2）理论推算各实验电路的输出计算公式，并计算相应的理论值。 （3）将各种测试数据与理论值相比较，分析误差产生的原因。 8. 思考与分析 （1）分析反相积分器电路Rf作用中？

（2）“虚地”的概念在同相放大器中是否适用？

（3）如何正确理解集成运算放大器“虚短”和“虚断”的概念？

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