实验五模拟运算电路（三）一、实验目的1、了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念。

2、熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及输入阻抗、输出阻抗、增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法。

二、实验原理三、预习思考1、查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义。

T:TIP参数名称参数值参数意义及设计时应该如何考虑直流参数输入失调电压V IO1(T) <6mV该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。

理想运放当输入电压为零时，其输出电压也为零，但实际运放当输入电压为零时，其输出端仍有一个偏离零的直流电压，这是由于运放电路参数不对称所引起的。

输入偏置电流I IB80(T)<500nA该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。

指运放输入级差分对管的基极电流12,B BI I,通常由于晶体管参数的分散性，12B B I I ≠。

输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级的性能，当他的β值太小时，将引起偏置电流增加。

从使用角度看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小。

输入 失调电流I IO20(T)<200nA该参数是指流入两个输入端的电流之差。

输出电压为零时，两输入端静态电流的差值，即12io B B I I I =-。

其典型值为几十至几百Na .由于信号源内阻的存在，io I 会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。

io I 越小越好，他反映了输入级有效差分对管的不对称程度。

失调电压温漂αV IO 20/uV C ±︒该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以/uV C ︒ 为单位表示.指在规定范围内io V 的温度系数。

共模抑制比K CMR70(T)<90dB差模电压增益VD A 与共模电压增益VC A 之比开环差模 电压增益A VD610集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。

VD A 与输出电压0V 的大小有关。

通常是在规定的输出电压幅度（如010V V =±）测得的值。

VD A 又是频率的函数，频率高于某一数值后，VD A 的数值开始下降。

输出 电压摆幅V OM +/-10 ~14 正负输出电压的摆动幅度极限 差模输入电阻R ID 0.3~2M Ω 输出电阻R O75 Ω交流参数增益带宽积G.BW 0.7~1.6MHZ增益带宽积A OL * ƒ 是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。

运放的增益是随信号的频率而变化的，输出电压随信号频率增大而使其下降到最大值的0.707倍的频率范围，称为带宽。

转换速率S R0.25~0.5V/us (RL>2K)该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。

SR 通常以V/μs 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。

当运放在闭环情况下，其输入端加上大信号（通常为阶跃信号时），其输出电压波形将呈现一定的延时，其主要原因是运放内部电率中的电容充放电需要一定的时间。

SR 表示运放在闭环状态下，每1us 时间内输出电压变化的最大值。

极限参数最大差模 输入电压V IOR 30V ±反相和同相输入端所能承受的最大电压值。

超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT 将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。

最大共模13V ±运放所能承受的最大共模输入电压。

超过IC R V 值，它的共模抑输入电压V ICR 制比将显著下降。

一般指运放在做电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值。

最大输出电流I OS +/-25~40m A运放最大正向或负向的峰值电流，通常给出输出端短路的电流最大电源电压V SR 22V ±2、 根据教材24页实验内容4的指标要求（指标要求以本节实验部分修改的为准），设计电路并确定元件参数，同时估算该电路的最大不失真输出电压范围，下限频率、上限频率，并和双电源供电的比例运算电路做一个简单的比较。

答：设计过程见实验内容2具体。

1）最大不失真输出电压范围和运放的最大输出电压摆幅O MV 有关，查询数据手册可得，当电源电压为±15V 时，10L R K >Ω时,12~14OM V V =；2L R K >Ω时，10~13OM V V =，计算可得220~28O PP O M V V V ==2）下限频率：由于该电路输入输出为直流耦合，因此Fl=0h3）上限频率：查询数据手册可得741的单位增益带宽（增益带宽积）为0.7~1.6M,又知电路增益为5，计算可得fH 在140~320k 左右。

四、实验内容1、 23页实验内容1，具体内容改为： 9.09K(I) 图5-1电路中电源电压±15V ，R 1=10kΩ，R F =100 kΩ，R L ＝220Ω，R P ＝10k//100kΩ=10K 。

按图连接电路，测量最大不失真输出电压，并和实验一数据进行比较，分析数据不同的原因。

（提示：考虑运算放大器的最大输出电流）负载 R L =100KΩ R L =220Ω 改为200 无扩流 有扩流 正电源电压（V ） +15 15 15 正最大不失真输出电压（V ）14.4 4.4 13.2 负电源电压（V ） -15 15 15 负最大不失真输出电压（V ）-13.0-6.8-13.4实验结果分析：1）电源电压为+/-15V 时，741的最大输出摆幅范围为+/-13~14V2）R L =100K Ω时，最大不失真输出电压在运算放大器的最大输出摆幅范围内。

R L =200Ω，最大不失真输出电压远小于运算放大器理论的最大输出摆幅，这是因为当负载比较小的时候，输出电压受运算放大器的最大输出电流影响。

查手册知741运算放大器的最大输出电流为+/-25 mA,因此当负载为200Ω时，负载上最大可能电压值是+/-0.025*200=+/-5V,实测结果和这个分析基本相符。

3）在三极管扩流电路中，三极管起到了一个开关的作用，当运算放大器输出为正电压时，9013饱和导通，9012反相截止，因此输出电压为Vcc-三极管的饱和压降。

当运算放大器输出为负电压时，9012饱和导通，9013反相截止，输出电压为-Vcc-三极管的饱和压降。

无扩流： 有扩流：(II) 将电路改成下图所示，这样可以通过三极管实现扩流，将输出电流由运放的25mA增加到500mA ，重复（I ）的实验，并对实验数据进行比较和分析（本内容可以选做）10k100k 10k//100k+VCC-VEE1456723220V i9013+VCC-VEE－+(III) 保持Vi ＝0.2V 不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率f H 并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。

1） 输入输出波形图2）上限频率f H (KHz) 相位差t(μs) T(μs) Φ=t/T×360 o716.6+3.2=9.814.08滞后2502） 实验结果分析：放大电路的上限频率和增益的乘积为固定值，UA741的理论值为0.7~1.6MHZ ，放大倍数为10，理论上限频率应为70~160KHZ,测量结果与之相符合。

在上限频率处，增益变为中频区的1/2，滞后-180-45=-225，误差为10%，主要来自手动测量时光标的位置不好把握。

(IV) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的f H ，逐步增加输入信号幅度，观察输出波形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），三角波记录该点的输入、输出电压值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。

1） 输入输出波形图2）频率输入信号V iPP输出信号V OPP dV O/dt71KHZ 0.68V 3.12V 0.443V/us 2）实验结果分析：输出信号电压对时间求导，可得电压变换率，也就是转换速率。

手册中给出的转换速率为0.25~0.5V/us，实测值在该范围内。

运算放大器应用中，当信号频率较高，输出信号幅度较大时必须考虑转换速率的影响。

(V)输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法，此项内容选做）1）输入输出波形图2）频率输入信号V iPP输出信号V OPP dV O/dt22k 3.08V 11V 0.484V/us 2）实验结果分析：改用此法测量后，测得转换速率更接近0.5了，更准确。

实际测得转换速率因输出刚好为三角波，故其斜率即转换速率。

(VI)R F改为10 kΩ，自己计算R P的阻值，重复（III）（IV）。

列表比较前后两组数据的差别，从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。

并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。

重复（III）：1）输入输出波形图此时1||10||105P F R R R K K K===上限频率f H (KHz) 相位差 t(μs) T(μs) Φ=t/T×360 o370k2.12-0.32=1.82.7240滞后3） 实验结果分析：1．R F 改为10 k Ω后，增益变为1，因为增益带宽积为一常数，所以带宽应变大，上限频率变大，符合。

2.相位同前分析，这次相位测量较之前准确。

重复（IV ）：1） 输入输出波形图2）频率 输入信号V iPP输出信号V OPPdV O /dt 370kHZ2.48V0.72V0.5328V/us3）实验结果分析：在高频应用时，首先要根据设计中的增益和上限频率的要求计算出增益带宽积要求，然后根据输出电压的幅度和上限频率的要求计算转换速率。

2、 24页实验内容4，具体内容改为：(I) 设计一个单电源交流放大器，输入电压≤1V ， A vf = 5，f L ≤10Hz ，f H ≥100kHz ，输入电阻大于100kΩ，输出电阻小于100Ω。

（带宽设计时可参考单级放大器实验） 1） 设计图2） 设计过程11F vf R A R =+取1R =10K , F R =40K输入电阻要求大于100kΩ，分压值要等于1/2Vcc,取4R =100K, 2310R R K ==可满足要求。