1、實(shí)驗(yàn)三 比例放大電路的設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)方法。 2掌握電路的安裝、調(diào)試與電路性能指標(biāo)的測(cè)試方法。 二預(yù)習(xí)要求 1根據(jù)給出的指標(biāo)，設(shè)計(jì)電路并計(jì)算電路的有關(guān)參數(shù)。2畫(huà)出標(biāo)有元件值的電路圖，制定出實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。3寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告 三. 比例放大電路的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)與調(diào)試 Rf （一）反相比例放大電路 1反相比例放大電路的特點(diǎn) UI R1 由運(yùn)算放大器組成的反相比例放大電 741 Uo路如圖1所示。 根據(jù)集成運(yùn)算放大器的基本原理，反 RP 相比例放大電路的閉環(huán)特性為： 閉環(huán)電壓增益： （1） 圖1 反相比例放大器輸入電阻 （2）輸出電阻 （3）其中： Auo為運(yùn)放的

2、開(kāi)環(huán)電壓增益，環(huán)路帶寬 （4）其中：BWo為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)帶寬。最佳反饋電阻 = （5）上式中：Rid為運(yùn)放的差模輸入電阻，Ro為運(yùn)放的輸出電阻。平衡電阻 （6）從以上公式可以看出，由運(yùn)算放大器組成的反相輸入比例放大電路具有以下特性： （1）在深度負(fù)反饋的情況下工作時(shí)，電路的放大倍數(shù)僅由外接電阻R1和 Rf 的值決定。 （2）由于同相端接地，故反相端的電位為“虛地”，因此，對(duì)前級(jí)信號(hào)源來(lái)說(shuō)，其負(fù)載不是運(yùn)放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。由于Rif = R1，因此反相比例放大電路只適用于信號(hào)源對(duì)負(fù)載電阻要求不高的場(chǎng)合（小于500k） （3）在深度負(fù)反饋的情況下，運(yùn)放的輸出電阻很小。 2反

3、相比例放大電路的設(shè)計(jì)反相比例放大電路的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)給定的性能指標(biāo)，計(jì)算并確定運(yùn)算放大器的各項(xiàng)參數(shù)以及外電路的元件參數(shù)。例如，要設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大電路，性能指標(biāo)和已知條件如下：閉環(huán)電壓增益Auf，閉環(huán)帶寬BWf，閉環(huán)輸入電阻Rif，最小輸入信號(hào)UImin，最大輸出電壓UOmax，負(fù)載電阻RL，工作溫度范圍。設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 選擇集成運(yùn)算放大器 選用集成運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)先查閱有關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)，了解以下主要參數(shù)：運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益Auo，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)帶寬BWo，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓UIO、輸入失調(diào)電壓溫漂¶UIO/¶T，輸入失調(diào)電流IIo、輸入失調(diào)電流溫漂¶IIO/&#

4、182;T，輸入偏置電流IIB，運(yùn)放的差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro等。 為了減小比例放大電路的閉環(huán)電壓增益誤差，提高放大電路的工作穩(wěn)定性，應(yīng)盡量選用輸入失調(diào)參數(shù)小，開(kāi)環(huán)電壓增益和差模輸入電阻大，輸出電阻小的集成運(yùn)放。 為了減小比例放大電路的動(dòng)態(tài)誤差，（主要是頻率失真與相位失真），集成運(yùn)算放大器的增益帶寬積Au·BW和轉(zhuǎn)換速率SR還應(yīng)滿足以下關(guān)系： Au·BW >Auf·BWf SR > 2fmaxUOmax上式中，fmax 是輸入信號(hào)的最高工作頻率。 UOmax 是集成運(yùn)算放大器的最大輸出電壓。（2） 計(jì)算最佳反饋電阻 按以下公式計(jì)算最佳反饋電阻：

5、 = 為了保證放大電路工作時(shí)，不超過(guò)集成運(yùn)算放大器所允許的最大輸出電流IOmax，Rf 值的選取還必須滿足：。 如果算出來(lái)的Rf太小，不滿足上式時(shí)，應(yīng)另外選擇一個(gè)最大輸出電流IOmax較大且能滿足式（1）中要求的運(yùn)算放大器。在放大倍數(shù)要求不高的情況下，可以選用比最佳反饋電阻值大的Rf。 （3）計(jì)算輸入電阻R1 由上式計(jì)算出來(lái)的R1必須大于或等于設(shè)計(jì)要求規(guī)定的閉環(huán)輸入電阻Rif。否則應(yīng)改變Rf的值，或另選差模輸入電阻高的集成運(yùn)算放大器。 （4）計(jì)算平衡電阻RP RP=R1/Rf（5）計(jì)算輸入失調(diào)溫漂電壓 要求UI << UImin。一般應(yīng)使 UImin > 100UI，這樣才能

6、使溫漂引起的誤差小于1%。若UI不滿足要求，應(yīng)另外選擇漂移小的集成運(yùn)算放大器。 3反相比例放大電路的調(diào)試與性能測(cè)試（1） 消除自激振蕩按照所設(shè)計(jì)的電路和計(jì)算的參數(shù)，選擇元件，安裝電路，弄清集成運(yùn)放的電源端，調(diào)零端、輸入與輸出端。根據(jù)所用運(yùn)放的型號(hào)和Auo的大小，考慮是否需要相位補(bǔ)償。若需要相位補(bǔ)償，應(yīng)從使用手冊(cè)中查出相應(yīng)的補(bǔ)償電路及其元件參數(shù)。當(dāng)完成相位補(bǔ)償后，將放大電路的輸入端接地，檢查無(wú)誤后，接通電源。用示波器觀察其輸出端是否有振蕩波形。若有振蕩波形，應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整補(bǔ)償電路的參數(shù)，直至完全消除自激振蕩為止。在觀察輸出波形時(shí)，應(yīng)把噪聲波形和自激振蕩波形區(qū)分開(kāi)來(lái)。噪聲波形是一個(gè)頻率不定，幅值不定

7、的波形，自激振蕩波形是一個(gè)頻率和幅度固定的周期波形。（2） 調(diào)零把輸入端接地，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓，檢查輸出電壓UO是否等于零，若UO不等于零，應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)運(yùn)放的調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。（3） 在輸入端加入U(xiǎn)I=0.1V的直流信號(hào),用直流電壓表測(cè)量輸出電壓。將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行比較，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。 （4）觀察輸出波形在輸入端加入f=1000Hz，Uim=1V的交流信號(hào)，用示波器觀察輸出波形，若輸出波形出現(xiàn)“平頂形”失真，表明運(yùn)放已進(jìn)入飽和區(qū)工作，此時(shí)應(yīng)提高電源電壓，以消除“平頂形”失真。 R1 Rf （二）同相比例放大電路 1同相比例放大電路的特點(diǎn) 由運(yùn)算放大器組成的同相輸入比例

8、R1 741 Uo 放大電路如圖2所示。 UI 同相放大器的電壓放大倍數(shù)為： Rf （7） 同相放大器的輸入電阻為： 圖2 同相比例放大器Rif=R1/Rf+Rid（1+Auo F） （8） 其中：Rid是運(yùn)放的差模輸入電阻，Auo是集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益，F(xiàn)=R1/(R1+Rf）為反饋系數(shù)。輸出電阻：Ro0 放大器同相端的直流平衡電阻為：RP = Rf / R1。 （9）放大器的閉環(huán)帶寬為： （10） 最佳反饋電阻 （11）2同相比例放大電路的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例放大電路，性能指標(biāo)和已知條件如下：閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf，閉環(huán)帶寬BWf，閉環(huán)輸入電阻Rif，最小輸入信號(hào)UImin，最大輸出

9、電壓UOmax，負(fù)載電阻RL，工作溫度范圍。設(shè)計(jì)步驟：（1） 選擇集成運(yùn)算放大器 在設(shè)計(jì)同相放大器時(shí)，對(duì)于所選用的集成運(yùn)算放大器，除了要滿足反相比例放大電路設(shè)計(jì)中所提出的各項(xiàng)要求外，集成運(yùn)放共模輸入電壓的最大值還必須滿足實(shí)際共模輸入信號(hào)的最大值。并且要求集成運(yùn)放具有很高的共模抑制比。當(dāng)要求共模誤差電壓小于UOC時(shí)，集成運(yùn)放的共模抑制比必須滿足： 式中：UIC是運(yùn)放輸入端的實(shí)際共模輸入信號(hào)。UOC是運(yùn)放的共模誤差電壓。 （2）元件參數(shù)的計(jì)算1) 按以下公式計(jì)算最佳反饋電阻： 2）按以下公式計(jì)算R1 為了保證電路工作時(shí)，不超過(guò)集成運(yùn)放的最大輸出電流IOmax，RL、Rf和R1還必須滿足以下關(guān)系：

10、3） 計(jì)算平衡電阻RP考慮到信號(hào)源內(nèi)阻RS的影響，RP=（R1/Rf） RS（3） 計(jì)算輸入失調(diào)溫漂電壓 要求UI<<UImin。一般應(yīng)使UImin>100UI，這樣才能使溫漂引起的誤差小于1%。如果計(jì)算出來(lái)的UI不滿足要求，應(yīng)另外選擇漂移小的集成運(yùn)算放大器。3.同相比例放大電路的調(diào)試與性能測(cè)試（具體步驟與反相比例放大電路相同） 四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1反相比例放大器的設(shè)計(jì)、安裝與測(cè)試設(shè)計(jì)與安裝一個(gè)反相比例放大器，使之滿足Auf = 5（Rf 、R1、R自選）。1) 輸入U(xiǎn)I = +1.5V的直流信號(hào),用直流電壓表測(cè)量輸出電壓UO。2) 輸入f = 1kHz，Uim = 0.2V的交流

11、信號(hào)，用示波器測(cè)量輸出電壓uo的幅值Uom、輸出電壓與輸入電壓之間的相位差。2同相比例放大器的設(shè)計(jì)、安裝與測(cè)試設(shè)計(jì)與安裝一個(gè)同相比例放大器，使?jié)M足Auf = 6。1) 輸入U(xiǎn)I = +1.5V的直流信號(hào),用直流電壓表測(cè)量輸出電壓UO。2) 輸入f = 1kHz，Uim = 0.2V的交流信號(hào)，用示波器測(cè)量輸出電壓uo的幅值Uom、輸出電壓與輸入電壓之間的相位差。3。電壓跟隨器的設(shè)計(jì)、安裝與測(cè)試設(shè)計(jì)與安裝一個(gè)電壓跟隨器，使?jié)M足UO = UI的關(guān)系。1) 輸入U(xiǎn)I = +1.5V的直流信號(hào),用直流電壓表測(cè)量輸出電壓UO。2) 輸入f =1kHz，Uim = 0.2V的交流信號(hào)，用示波器測(cè)量輸出電壓uo的幅值Uom、輸出電壓與輸入電壓之間的相位差。4加法器的設(shè)計(jì)、安裝與測(cè)試設(shè)計(jì)與安裝一個(gè)加法器電路，使?jié)M足uo = （10 ui12 ui2），Rf 、R1、R2自選。1） 輸入U(xiǎn)I