模电集成运放实验.docx

集成运算放大器的线性应用实验
佘新平编写
一、实验目的
1．了解运算放大器的特性和基本运算电路的组成；
2．掌握运算电路的参数计算和性能测试方法。
二、实验仪器及器件
1．双踪示波器；
2．直流稳压电源；
3．函数信号发生器；
4．数字电路实验箱或实验电路板；
5．数字万用表；
6．集成电路芯片uA7412块、电容0.01uF2个、电阻10k10个、20k5个、30k2个、50k2个、100k2个、5.1k1个、3.3k1个、680k1个，10k电位器3个。
三、预习要求
1．熟悉集成电路芯片uA741的引脚图及功能；
2．掌握集成运放的工作特点；
3．掌握构各种运算电路的形式及工作原理。
四、实验原理
（1）集成运放简介
集成电路运算放大器（简称集成运放或运放）是一个集成的高增益直接耦合放大器，通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其它应用电路。集成运放uA741的电路符号及引脚图如图1所示。

1
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6
7
8
调零
V-
V+
-Vcc
调零
+Vcc
NC
VO

图1uA741电路符号及引脚图

任何一个集成运放都有两个输入端，一个输出端以及正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端等。
（a）电源端：通常由正、负双电源供电，典型电源电压为±15V、±12V等。如：uA741的7脚和4脚。
（b）输出端：只有一个输出端。在输出端和地（正、负电源公共端）之间获得输出电压。如：uA741的6脚。最大输出电压受运放所接电源的电压大小限制，一般比电源电压低1～2V；输出电压的正负也受电源极性的限制；在允许输出电流条件下，负载变化时输出电压几乎不变。这表明集成运放的输出电阻很小，带负载能力较强。
（c）输入端：分别为同相输入端和反相输入端。如：uA741的3脚和2脚。输入端有两个参数需要注意：最大差模输入电压Vidmax和最大共模输入电压Vicmax。
两输入端电位差称为“差模输入电压”Vid：。
两输入端电位的平均值，称为“共模输入电压”Vic：

任何一个集成运放，允许承受的Vidmax和Vicmax都有一定限制。
两输入端的输入电流i+和i-很小，通常小于1A，所以集成运放的输入电阻很大。
（2）理想集成运放的特点
在各种应用电路中，集成运放可能工作在线性区或非线性区：一般情况下，当集成运放外接负反馈时，工作在线性区；当集成运放处于开环或外接正反馈时，工作在非线性区。
在分析各种应用电路时，往往认为集成运放是理想的，即具有以下的理想参数：输入电阻为无穷大、输出电阻为0、共模抑制比为无穷大及开环电压放大倍数为无穷大。
理想集成运放工作在线性区时的特点为：

分别称为“虚短”和“虚断”。它们是分析理想集成运放线性应用电路的两个基本出发点。
当理想运放工作在非线性区时，“虚短”不再成立，但“虚断”仍然成立。此时当

（3）集成运放的单电源供电问题
在集成运放的部分应用电路中，出于某种需要，有时要求单电源供电。双电源供电与单电源供电两者之间有何区别？
当集成运放采取双电源供电时，输入、输出电压的电位参考点是正、负电源的公共端C，如图2（a）所示。如果把负电源端作为电位参考点，并使C点悬空，则电路成为图2（b），这时的供电形式就变为单电源供电。可见，双电源供电与单电源供电的实质是电位参考点的不同。

（a）（b）
图2单电源供电与双电源供电比较

由于电位基准发生了变化，因此集成运放的允许工作条件也将相应改变。为了说明方便，假设±12V双电源供电时集成运放的共模输入电压范围为-10～7V、输出电压范围为-11～＋11V。则当24V单电源供电时，共模输入电压范围变为2～19V、输出电压范围变为1～23V。鉴于这种情况，需要给集成运放的同相、反相输入端提供合适的直流偏置电压，使输入端的电位进入共模输入电压范围内。从而保证集成运放的正常工作。
为了获得最大的动态范围，通常将同相、反相输入端电位设置为，最简单的方法是通过两个等值电阻分压，一个单电源供电的反相交流放大电路如图3所示。

图3单电源供电的反相交流放大电路

静态时该电路的输出电压为。当输入交流正弦信号时，电路的交流电压放大倍数的表达式与双电源供电时的表达式相同。
（4）集成运放的主要参数
集成运放的主要参数有：输入失调电压、输入失调电流、开环差模电压放大倍数、共模抑制比、输入电阻、输出电阻、增益－带宽积、转换速率和最大共模输入电压。其中最重要的是增益－带宽积、转换速率和最大共模输入电压三个参数，在应用集成运放时应特别注意。
（5）反相比例运算电路
电路如图4所示，图中R2称为平衡电阻，取R2＝R1//RF。利用“虚短”和“虚断”的特点可求得其闭环电压放大倍数为：

在上述电路中，外接电阻最好在1k～100k范围内选择，电压放大倍数限定在100内，以