1、評估能力測試訓練（模電部分）一、運算放大器的線性應用1、比例運算電路在理想條件下，反相比例運算與同相比例運算的特性如下表1：表 1比例運算電路閉環特性反相比例運算同相比例運算RR ffR 1-R1原理電路ui-AuoR pAuo+R pui閉環電壓增益R fR f1A ufR 1R 1輸入電阻 R ifR 1輸出電阻 R of 00平衡電阻PRRfR1RfR12、加法運算電路反相加法器電路如圖1：圖 1反相加法電路在理想的條件下，反相加法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系式u oR f ui1R f u i 2R f u i3（ 1）R1R 2R 3平衡電阻： R PR1 R2R 3 R f(

2、2 ）同相加法電路如圖2：圖 2同相加法電路在理想的條件下，圖 2 所示同相加法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系式R fR1 R2 R3111(3)uo 1ui 1ui 2u i3RR 1R 2R 33、減法運算電路單運放減法運算電路如圖3：圖 3單運放減法電路在理想的條件下，圖 3 所示減法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系式為uo1R 3R 4u i1R 3ui 2(5)R 1R2 R4R 1當 R1=R 2， R3=R4 時uoR 3 ui1 ui 2(6)R 1電阻 R1 的確定這種電路的輸入電阻 Rid 不夠高。因為欲提高 Rid ，則必須加大 R1，而 R1 大時，會使失調誤差和

3、漂移誤差增大。另外，這種電路的閉環增益也不可能很高，因為欲有較高的閉環增益，則要減小 R1 和 R2，但這樣勢必會降低輸入電阻 Rid ；或者是增大 Rf ，但 Rf 若過大（如大于 1M），選配精度和穩定性又難以保證，而且寄生電容影響大，頻帶變窄。因此 R1 的確定以滿足設計要求中的輸入阻抗Rid 條件即可。電阻 R2、R3、R4 的確定由(6) 式求出 R3。電阻 R2、R4 由平衡條件 R1=R2， R3=R4 確定。雙運放減法運算電路如圖4（利用反相信號求和實現減法運算） ：圖 4雙運放減法電路在理想條件下，圖4 所示電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系式為u OR f 1R f 2 u

4、 i1R f 2 ui 2(7)R1R 2R 3當 R2=R3時uOR f 2R f 1 ui1 ui 2(8)R 2R1當 Rf1 =R1 時uOR f 2 u i1 u i 2(9)R 2平衡電阻RRP1R1R f 1(10)P 2R 2R 3 R f 2(11)電阻 R1、R3 的確定根據設計要求中的輸入阻抗Rid 條件來確定 R1、R3 的值。電阻 Rf1 、Rf2 、R2 的確定根據設計要求，結合 (7)(8)(9)式來確定電阻Rf1 、Rf2 、R2 的值。電阻 Rp1、Rp2 的確定根據式平衡電阻的計算公式(10)(11)確定電阻 Rp1、Rp2 的值。二、運算放大器的非線性應用

5、1、雙向限幅器如圖5。圖 5雙向限幅器電路和輸入特性當輸入信號 Ui 較小， Uo 未達到穩壓管的擊穿電壓時，其傳輸系數為：A ufR fR 1當 Ui 正向增大， Uo 達到 VZ1的擊穿電壓時， VZ2 正向導通，此時，輸出電壓為 :U OLU VZ1UVD2U VZ1 0.7與 UOL對應的輸入電壓 UTH 為：U THR1 UOLR1 UVZ1 0.7R fR fUi UTH后，輸出電壓始終為UOL值，故圖5(b) 中 Ui UTH以后的范圍稱為上限幅區。上限幅區內的傳輸系數為A ，即uf+A ufrVZ 1rVD 2R1當 Ui 負向增大， Uo 達到 VZ2 的擊穿電壓時， VZ2

6、 反向擊穿， VZ1 正向導通，此時，輸出電壓為 :UOHUVD1UVZ20.7UVZ2與 UOH對應的輸入電壓 UTL 為：U TLR1 UOHR1 0.7 U VZ2R fR fUTL為下限幅門限電壓。傳輸系數Auf- 為：A ufrVZ 2rVD 1R12、電壓比較器如圖6。圖 6 電壓比較器電路及傳輸特性圖 6(a) 是一種具有滯后特性的電壓比較器， Rf 與 R2 組成正反饋電路， VDZ 為雙向穩壓管，用于限定輸出電壓幅度。在輸入信號為零時，輸出電壓或為高電位 UOH，或為低電位 UOL，若初始狀態UO=UOH，則其同相輸入端電壓為：R 2UU OHR fR 2當輸入信號 Ui U

7、+時，輸出電壓立即由UOH翻轉為 UOL，隨之同相輸入端的電壓變為：U 'U OLR 2R fR 2此翻轉時刻的輸入電壓稱為上門限電壓UTH，且U THU OHR 2R fR 2當輸入信號 UU時，輸出電壓立即由U 翻轉為 U ，隨之同相輸入端的i'OLOH電壓變為 U+, 此翻轉時刻的輸入電壓稱為下門限電壓UTL，且U TLU OLR 2R fR 2其傳輸特性如圖 6(b)所示。輸出電壓為：U0HUVDZ（ 1 R2/Rf ）； U0L -UVDZ（ 1 R2/Rf ）電壓比較器變換波形圖如圖7 所示。圖 7電壓比較器變換波形3 、正弦信號發生器如圖8。圖 8文氏橋振蕩器電路

8、中 R1、 R2、C1、 C2組成正反饋，決定電路的振蕩頻率：1f02R1R2C1C2R4 、RW、 R3組成負反饋網絡，控制放大器的增益。為使電路容易起振，在負反饋支路中串有一電位器 RW，如圖 8 所示。圖中的兩只二極管 VD1、VD2 具有穩定輸出信號幅度的作用，當輸出信號幅度變大時，二極管正向動態電阻變小，使負反饋增大，迫使輸出信號電壓降低，反之亦然。這樣，輸出信號電壓可穩定在某一定值上。4、方波發生器如圖9。圖 9 中 R1 和 R2 組成正反饋電路， R 和 C 構成積分器， R3 為限流電阻， VZ 為輸出限幅二極管。圖 9方波發生器及波形圖方波發生器的振蕩頻率由下式決定：1f0

9、2R2 )2RC ln(1R1由于方波發生器工作于大信號狀態，方波的上升速度受運算放大器電壓轉換速率和最大輸出電流的限制，實測到的頻率比理論計算值要低。方波的輸出幅度為± UVZ。5、方波和三角波發生器如圖10。圖 10方波和三角波發生器及波形圖在方波發生器的基礎上加積分器就組成三角波發生器， 其中 UR為參考電壓， 為電位器 RW動頭對地電阻與 RW總電阻之比。當 UR=0 時，方波和三角波為上下對稱的波形 , 而當 UR 0 時，加上正負電壓將使三角波上下平移， 對方波沒有影響。當 UR=0 時，uo1 的高電平 UoH=UVZ+UVD，低電平 UoL=-( UVZ+UVD) ，

10、所以其峰峰值為：U o1pp2( U VZ U DD )uo2 的峰峰值為：U o 2 pp2 R1 (UVZ UVD )R2時間間隔 T1、T2 為：2RCR1T1T2振蕩頻率 f 0 為：R2f 0111R2TT1T22T14RCR1綜上所述，該方波三角波發生器的方波幅值由穩壓管的穩壓值決定， 三角波的幅值由方波幅值和 R1/R2 的比值決定，若 R1R2，三角波的幅值可以超過方波的幅值。振蕩頻率與穩壓管的穩壓值無關， 改變 可改變振蕩頻率而不影響輸出波形的幅度。三、集成運放的使用及注意事項電源電壓 :集成運放的電源有雙電源和單電源之分。 雙電源大都是對稱型的 （即正、負電源電壓絕對值相同

11、） 。電源參數一般都是一個范圍值，如 LM324可根據需要在± 3V± 16V之間選取適用的對稱電源電壓值。 一般選用標稱電壓值， 如 3V、6V、 7.5V 、9V、12V、15V 等。單電源供電時 LM324可在 +6V32V 之間選用電源電壓，此時集成運放必須設置直流偏置電路，一般采用同相端為中點電位的偏置方法。雙電源時運放的中點電位為 0V，單電源時其中點應為單電源電壓的二分之一，具體電路如圖 11 所示：圖 11 集成運放電源應用 自激振蕩的消除：集成運放的內部是直接耦合的多級放大器，其電壓放大倍數極大。當集成運放在線性區域應用時， 通常都處于深度負反饋的閉環狀態

12、。 由于輸出對輸入的影響，尤其是在頻率較高時的附加相移，可能使負反饋就正反饋而產生自激振蕩，破壞了運放電路的正常工作。只有消除了自激振蕩，才能保證電路工作正常。運放是否產生自激振蕩，可通過數字電壓表或示波器來觀察。用數字電壓表監視輸出，電壓表數字顯示發生跳動， 這就說明產生了自激振蕩； 用示波器監視在無信號輸入情況下， 屏幕上顯示為一條粗帶， 在有信號情況下， 則在信號波形上疊加了振蕩波。自激振蕩可以采取適當的相位校正措施的方法加以消除。 校正電路及元件參數，既與特定的集成運放有關， 也與負反饋深度有關。 在集成運放使用手冊或說明書中，一般都列出校正方法和選用元件參數值， 結合實際電路采用相應

13、的校正方法。電源的對稱性：如果運放采用雙電源， 則應注意其對稱性的要求。 所謂對稱性是指極性相反，電壓的絕對值相同。 如果電源電壓絕對值一高一低， 運放輸入為零時， 輸出不為零，當處理的信號含有直流分量時， 由電源不對稱造成的靜態輸出偏移將引入誤差。輸入端必須有直流通路：運放的輸入級為一對差動放大電路，為保證它的正常工作，輸入差動管必須有基極電流。直流通路電阻的選配是否合理將直接影響輸入基極電流產生的運算誤差。為減小這種誤差，一般要求同相輸入端和反相輸入端對地的直流電阻相等，甚至要求等效阻抗相等。電源保護電源常見故障主要是電源極性接反， 一旦電源極性接反， 集成運放將被燒毀。常用保護電路如圖

14、12 所示。如果電源接反，二極管將反向偏置，電源電壓大都降在二極管上，從而保護集成運放不被燒壞。圖 12運放電源保護電路輸入端保護如果運放的輸入信號過大， 超過了最大輸入差模電壓， 則容易將輸入級擊穿，造成永久性損壞。 為了防止大信號加到輸入端， 可以在運放的同相端和反相端之間加兩個二極管或穩壓二極管，如圖 13 所示。圖 13運放輸入端保護電路輸出保護輸出不正常對運放的損壞通常有以下幾種情況：過載、短路或者短接到高壓時使輸出級擊穿以及外殼碰地等。為了不使運放過載而損壞， 一般運算放大器輸出電流應限制在5mA以下，即所用的負載電阻不能太小，一般應大于2k，最好大于 10k。關于輸出的保護，有的

15、運放內部已有保護電路，如果沒有或者限流不夠，可在輸出端串接低阻值的電阻，如圖 14 所示。這個電阻接到反饋環內，除對輸出電壓有明顯下降外，對性能并無影響，相反串聯電阻能隔離容性負載，增加電路穩定性。圖 14 運放輸出端保護電路 集成器件好壞的判斷如果要定性檢測一個運放器件是否正常，可采用圖 15 所示的電路。該電路是一個電壓跟隨器電路， 在線性區內輸出電壓應該隨著輸入電壓而變化。 測試時調節輸入端的電位器， 使輸入電壓在 -3V+3V范圍內變化（R=1k，UCC=UEE=9V），輸出也應該在這個范圍內變化。 如果輸出電壓不變化， 或者只在正電壓， 或者只在負電壓范圍內變化，則說明此運放已經損壞

16、。圖 15運放檢測電路運算放大器的故障檢測理想運算放大器具有以下特性：輸出阻抗近似為零。這意味著在電源許可的范圍內，可從運放輸出端拉出電流而不會使輸出端電壓顯著下降。通常輸出電流值為 10mA以下。運放的輸出電壓擺幅是有限的。通常取決于運放所采用的正負電源，輸出電壓不會高于正電源所提供的電壓值，也不會低于負電源提供的電壓值。運放輸入端電流為零。這意味著輸入端的阻抗相當高。運放的電壓增益近似無窮大。根據以上特點來檢測運放的故障：以一個反相放大器為例，如圖16：圖 16反相放大器由圖可知，該電路的輸出應為 5V。而實測為 0V，說明有故障。排除步驟： 用萬用表直接測量運放管腳上的電源電壓值。若正常

17、，則做第二步。 測量運放反相端的電壓，應該為 0V。因為同相端接地，反相端電壓在地附近。測量表明不在地附近。 由于運放兩輸入端同電位的特性是由運放輸出通過內部電路予以保證的，需要對運放的輸出端進行測量。采用隔離技術將運放輸出與負載斷開如圖17 所示。圖 17反相放大器輸出斷開因從輸出端到輸入端不存在反饋通路，此時的輸出電壓應為Ucc，或是 UEE。若仍是 0V，則說明器件壞了。反之，應對器件再作進一步的檢查。將 0.5V 直接接到反相端，輸出接近正電源值，而將0.5V 接到反相端，輸出接近負電源值， 這說明器件完好無損。 此時應將與輸出端相連的負反饋電阻直接用導線與之相連。如果正常，則說明故障

18、出現在與運放相連的負載中，可能輸出端誤接地。四、運算放大器實驗電路的安裝及測量1、安裝步驟：（1）實驗箱外接電源電源電壓的大小根據實驗任務來定。 一般來講，運放的實驗多數采用雙電源，即正負電源。正負電源的接法見圖 18 所示。穩壓電源輸出的電壓值需用萬用表進行校準。 注意正負電源的電壓絕對值要一樣， 不能有偏差， 否則會造成運算放大器在靜態下輸出電壓不為零。在實驗電路連接好前，實驗箱電源不要開。若實驗任務要求用單電源供電，則可直接將穩壓源的正極接入實驗箱的EC，負極接實驗箱的地線即可。當然，電壓值也需用萬用表校準。圖 18模擬實驗箱電源連接示意圖（2）插入集成芯片，連接電路。根據所給的芯片，

19、將它們插入實驗箱上與芯片管腳相符合的插座上， 注意芯片插入的方向，即：缺口向左。根據實驗電路進行搭接。注意有些運放的抗電源沖擊的能力較差， 所以在實驗過程中應避免多次開關電源。 如果要撤掉運放的電源，正確的做法是不關斷電源的開關，而是將接入運放的電源連線撤掉。（3）電路調測以實例介紹電路的調測方法模擬電路實驗練習題1、圖 1 為方波振蕩電路， 已知 VZ1 和 VZ2 穩壓值均為3V, 輸出方波信號頻率電壓為6V （峰峰值） , 要求：1）在給定的元器件范圍內（見元件表）設計圖f 0 = 1 KHz,1 電路中元件的參數； 2）通過實驗 ,畫出圖 1 電路輸出信號uo 和電容 C1 兩端的波形

20、。（提示：可先設 R1=R2=10K, R3= 1K, C1=0. 1 F, 再根據頻率要求計算R4 值）圖 1 方波振蕩電路2、設計一個矩形波發生器，要求其輸出信號頻率為f0 = 1 KHz，輸出電壓為6V,占空比可以在一定范圍之內調節，通過實驗畫出該電路的輸出波形。（提示：以圖1 方波振蕩電路為基礎，再設計一個電壓比較器，如圖2 所示，從圖1的 C1 兩端取出三角波， 作為電壓比較器輸入信號， 通過電壓比較器將三角波整形為矩形波，當調節電壓比較器的 Rf 時將改變門限電壓 UTH 和 UTL ，從而使比較器輸出矩形波的占空比發生變化，設計時應保證U TH 和 U TL 落在 電容兩端電壓uc1 的范圍內，否則，電壓比較器沒有輸出信號。電位器可用實驗箱上提供的）圖 2 電壓