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1、第九章 设计研究型实验,实验二 集成运算放大器基本运算电路研究,一、实验目的,研究由集成运放构成的比例、加法、减法、积分等基本运算电路的组成与功能，加深对集成运放线性应用电路结构和性能特点的理解。掌握其设计方法。通过对运算放大器基本应用电路的实验研究，掌握其设计方法。了解运算放大器构成的基本运算电路在实际应用时的局限性和应考虑的问题。,二、实验理论基础,集成运算放大器概述 高电压增益，高输入电阻，低输出电阻，直接耦合的多级放大集成电路。由于集成运放具有极高的差模电压增益，要使其稳定工作于线性区，必须加深度负反馈，否则它将工作于饱和区或非线性状态。,在集成运放的输入端与输出端之间接上不同的反馈网
2、络，便可方便地实现不同用途的电路，例如信号放大、信号运算、信号处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换等。所谓反馈，就是把输出回路中的某个电量（电压或电流），通过一定的电路（反馈网络）送回到放大器的输入回路。如果反馈到输入回路中去的电量是对输入信号起抵消作用，结果使放大倍数减小的，称为负反馈。反之，称为正反馈。电压反馈、电流反馈，串联、并联反馈。,在分析或设计集成运放构成的电路时，通常可认为它是“理想的”，那么理想的运算放大器是怎样的呢？输入阻抗Ri=开环差模电压增益Avd=输出阻抗Ro=0 共模抑制比CMRR=带宽BW=失调、温漂、内部噪声均为零,2.理想运放在线性应用时的两个重要特性,“虚短
3、”：V+=V-。即运放的两个输入端的电位“无限”接近，就象短路一样，但不是真正的短路-虚短。“虚断”：I+=0、I-=0。即运放的两个输入端的偏置电流趋于0，就象断路一样，但不是真正的断路-虚断。,这是一个电压并联负反馈电路,放大倍数Avf,输入电阻,输出电阻,1.反相比例放大器,三、基本运算电路,输出与输入成比例关系,这实际上是反相放大器的扩展应用，可以以此类推到多个输入信号。,输出电压Vo：,2.反相权重加法器,若R1=R2，则,若R1=R2=RF，则,输出电压为输入电压的简单反相相加。,这是电压串联负反馈放大器，特点是：,输出电压Vo：,3.同相放大器,若 R1=，则,这是一个电压跟随器
4、。,利用叠加定律可得：,4.差动放大器（减法器）,若电路完全对称，即：,Vo,Vi1,RF,R2,RP,R1,Vi2,输出电压与两个输入电压之差成正比。,R1=R2，RF=RP，则：,输出电压Vo：,5.反相积分器,当输入信号为一阶跃信号时，,5.反相积分器,三、实验电路设计,集成运算放大器基本运算电路的设计，就是根据设计要求，选择合适的集成运放型号、确定电路结构及元件参数等的全过程。反相放大器、同相放大器、差动放大器等电路的设计原则基本类似。,集成运放的选择 根据处理信号的频率、幅度大小、精度要求来选择运放。主要从带宽、速度（转换速率）、失调电压电流、输入偏置电流等指标来选择。,2.电路结构
5、的选择 根据电路功能、输入信号的特性和对输出信号的要求来选择电路结构。如同相或反相等。,3.外电路元件参数确定 在元件参数选择时，一般先根据电压增益要求确定RF与R1的比值，然后具体选择RF、R1的阻值。若对输入电阻 Ri 没有明确要求，则先依据经验选取RF。选取原则：流过RF的电流应小于集成运放的最大输出电流（一般小于10mA），同时又要远大于集成运放的输入偏置电流IB。,通常反馈电阻RF的取值在几十k几百k 之间，不宜过大或过小。因为RF过大、R1也大，输入失调电流流过上述电阻会在运放输入端产生较大的附加差模电压，引起较大的输出失调；另一方面，1M 以上的大电阻通常噪声大、稳定性差、精度低
6、。若RF过小、R1也小，使输入电阻Ri过小，可能满足不了要求。,四、实验任务与要求,反相放大器的设计研究设计一反相放大器电路，要求Ri=10K，|Av|=10。(2)安装该放大器，加1kHz正弦信号，研究输出信号与输入信号的幅度、相位等的关系。输入信号大小自定。,2.设计并安装一个算术运算电路，要求实现：A、Vo=-(Vi1+0.5Vi2)B、Vo=Vi1-Vi2 分别用直流和正弦信号在合适的幅度和频率范围内，进行验证。,设计一反相积分器电路，用来把方波变换成三角波。要求：输入方波幅度为2V、频率1KHz，输出三角波幅度为4V。,(2)安装该积分器。(3)输入方波，用示波器双踪同时观察输入、输
7、出波形，测量幅值和周期。记录波形，标出幅值电压和周期时间值。,3.反相积分器的设计研究,4.实验要求：每个实验电路的确定、外围元件参数的确定要有依据和计算过程。实验中运放统一使用A741。电源电压使用 12V。电路连接安装好后，在实验开始前需要对运放调零。具体为：把输入端接地，调节调零电位器，使输出端电压为零。积分器在实际电路中，常在积分电容的两端并联一个电阻 Rf，形成直流负反馈，用以限制电路的低频（直流）电压增益。,当输入信号频率远大于：1/2RfC时，Rf可认为开路，电路为基本积分器。,但是 Rf 的接入将对积分电容 C 产生分流作用，从而导致误差。为了减小积分误差，一般要求：Rf R1，通常取 Rf 10R1,C=0.22uF,实验电路板,黄色,黑色,红色,串联应用,下次实验预习内容：晶体管共射放大电路设计研究 对应实验教程 第8章实验一、第9章实验三 实验内容以课件PPT为主。,
