实验三　　集成运算放大器的基本应用(I)

 　  　　　　　　　　　   ─ 模拟运算电路 ─

　　一、实验目的

　　1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

　　2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

　　二、实验原理

　　集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

理想运算放大器特性

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益　Aud=∞

输入阻抗　　　ri=∞

输出阻抗　　　ro=0

带宽          fBW=∞

失调与漂移均为零等。

理想运放在线性应用时的两个重要特性：

（1）输出电压UO与输入电压之间满足关系式

UO＝Aud（U+－U－）

由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短”。

　　（2）由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

基本运算电路

　　1) 反相比例运算电路

电路如图3－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为

 

   为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2＝R1 //   RF。

http://s5/mw690/004lDVRggy6Im6QK1Du24&690

 

图3－1  反相比例运算电路          图3－2  反相加法运算电路

 

　　2)　反相加法电路

电路如图3－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为

        R3＝R1 // R2 // RF

    3)  同相比例运算电路

图3－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为

        R2＝R1 // RF

当R1→∞时，UO＝Ui，即得到如图3－3(b)所示的电压跟随器。图中R2＝RF，用以减小漂移和起保护作用。一般RF取10KΩ， RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。

http://s7/bmiddle/004lDVRggy6Im6Rq5FA66&690 

(a) 同相比例运算电路                 (b) 电压跟随器

图3-3  同相比例运算电路

 

  　4)  差动放大电路（减法器）

　　对于图3-4所示的减法运算电路，当R1＝R2，R3＝RF时， 有如下关系式

　　　　 　

http://s9/bmiddle/004lDVRggy6Im6RU8Qg18&690 

图3－4  减法运算电路图                图3-5  积分运算电路

 

    5)  积分运算电路

　　反相积分电路如图3－5所示。在理想化条件下，输出电压uO等于

　　　

　　

　　式中　uC(o)是t＝0时刻电容C两端的电压值，即初始值。

如果ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设uc(o)＝0，则

 

 

即输出电压 uO(t)随时间增长而线性下降。显然RC的数值越大，达到给定的UO值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限值。

在进行积分运算之前，首先应对运放调零。为了便于调节，将图中K1闭合，即通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。但在完成调零后，应将K1打开，以免因R2的接入造成积分误差。K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压uC(o)＝0，另一方面，可控制积分起始点，即在加入信号ui后， 只要K2一打开， 电容就将被恒流充电，电路也就开始进行积分运算。

 

　　三、实验设备与器件

　　1、±12V直流电源　　2、函数信号发生器

　　3、交流毫伏表    　 4、直流电压表

　　5、集成运算放大器μA741×1

        电阻器、电容器若干。

　　四、实验内容

　　实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。

　　1、反相比例运算电路

　　1) 按图3－1连接实验电路，接通±12V电源，输入端对地短路，进行调零和消振。

　　2) 输入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的UO，并用示波器观察uO和ui的相位关系，记入表3-1。

表3-1　Ui＝0.5V，f＝100Hz

Ui（V）	U0（V）	ui波形	uO波形	AV
				实测值	计算值

　　2、同相比例运算电路

　　1) 按图3－3(a)连接实验电路。实验步骤同内容1，将结果记入表3－2。

    2) 将图3－3(a)中的R1断开，得图3－3(b)电路重复内容1)。

表3－2　　　Ui＝0.5V　　f＝100Hz

Ui（V）	UO(V)	ui波形	uO波形	AV
				实测值	计算值

　　3、 反相加法运算电路

1) 按图3－2连接实验电路。调零和消振。

2) 输入信号采用直流信号，图3－6所示电路为简易直流信号源，由实验者自行完成。实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压Ui1、Ui2及输出电压UO，记入表3－3。

 

http://s15/bmiddle/004lDVRggy6Im6SvUbYee&690 

图3－6  简易可调直流信号源

表3-3

Ui1(V)
Ui2(V)
UO(V)

　　

4、减法运算电路

　　1) 按图3－4连接实验电路。调零和消振。

2) 采用直流输入信号，实验步骤同内容3，记入表3－4。

　　 表3－4

Ui1(V)
Ui2(V)
UO(V)

　　

5、积分运算电路

　　实验电路如图3－5所示。

　　1)　打开K2，闭合K1，对运放输出进行调零。

    2)　调零完成后，再打开K1，闭合K2，使uC(o)＝0。

3)　预先调好直流输入电压Ui＝0.5V，接入实验电路，再打开K2，然后用直流电压表测量输出电压UO，每隔5秒读一次UO，记入表3-5，直到UO不继续明显增大为止。

   表3－5 

t(s)	0	5	10	15	20	25	30	……
U0(V)

　　

五、实验总结

　　1、 整理实验数据，画出波形图（注意波形间的相位关系）。

　　2、 将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。

    3、 分析讨论实验中出现的现象和问题。

　　六、预习要求

　　1、 复习集成运放线性应用部分内容，并根据实验电路参数计算各电路输出电压的理论值。

2、 在反相加法器中，如Ui1 和Ui2 均采用直流信号，并选定Ui2＝－1V，当考虑到运算放大器的最大输出幅度(±12V)时，｜Ui1｜的大小不应超过多少伏？

　　3、 在积分电路中，如R1＝100KΩ， C＝4.7μF，求时间常数。

假设Ui＝0.5V，问要使输出电压UO达到5V，需多长时间（设uC(o)＝0）？

4、 为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？