实验七运算放大器及应用电路实验目的：1、认识运算放大器的基本特性，通过仿真和测试了解运放基本参数，学会根据实际需求选择运放；2、了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法。

实验内容：一、实验预习1. 运放的理想化条件；2. 运放的各种基本电路结构；3. 熟悉运放LM358P的性能参数及管脚布局，并根据内部原理图理解电路结构和工作原理。

LM358P为单片集成的双运放，采用DIP-8封装，1IN-为第一个运放的负端输入，1IN+为正端输入，1OUT为输出，第二个运放命名原则相同。

V cc为正电源输入端，GND可以接地，也可以接负电压。

LM358P主要由输入差分对放大器，单端放大器，推挽输出级以及偏置电路构成。

二、仿真实验1. 运放基本参数①电压传输特性根据图1所示电路，采用正负电源供电，运放负端接地，正端接直流电压源V3，在-50μV~50μV范围内扫描V3电压，步进1μV，得到运放输出电压（节点3）随输入电压V3的变化曲线，即运放电压传输特性，根据仿真结果给出LM358P线性工作区输入电压范围，根据线性区特性估算该运放的直流电压增益A vd0。

图1. 电压传输特性仿真电路仿真设置：Simulate--Analyses--DC Sweep，设置需要输出的电压。

思考：a.当输入差模电压为0时，输出电压等于多少？若要求输出电压等于0，应如何施加输入电压？b.观察运放输出电压的最高和最低电压，结合LM358P内部原理图分析该仿真结果的合理性。

答：（1）：运放输出电压随输入电压变化曲线：LM358P线性工作区输入电压范围：-109.8328μV~163.1595μV。

运放的直流电压增益A vd0=99.5986k。

（2）思考a：输入差模电压为0时，输出电压=-3.3536V；要使输出电压等于0，应使V+=33.6712μV。

原因：在运放的线性工作区内，此题中可认为差模电压与输出电压成正相关，设输出电压为Y，输入电压（即输入差模电压）为X，线性比例系数K。

因此可认为满足以下关系：VkK B X Y V B V Y X BX K Y μ6712.335986.993536.3-03536.33536.30≈===-=⇒-==+⋅=，所以要使。

，时，当 （3）思考b ：运放的最高电压为13.3537V ，最低电压为-14.8574V 。

由于运放内部存在诸多二极管和三极管。

实际输出应减去管子的压降之和。

②输入失调电压根据图2所示电路，仿真得到运放LM358P 的输入失调电压V IO 。

V IO 既可以先测量输出电压V O （图2中节点3电压），再根据V IO =-V O /(-R1/R2)计算得到；也可以直接测量运放正负端电压差得到。

前者适合V IO 比较小的情况，后者适合V IO 比较大的情况。

当R1=1k Ω，R2=10Ω，进行直流工作点仿真，并完成表7-1。

当R1=10k Ω，R2=100Ω，进行直流工作点仿真，并完成表7-2。

当R1=100k Ω，R2=1k Ω，进行直流工作点仿真，并完成表7-3。

图2. 输入失调电压仿真电路表7-1：R1=1k Ω，R2=10Ω V 3（μV ） V 4（μV ） V 5（μV ） V 5-V 4（μV ） -V 3/(-R1/R2)（μV ） -3416.69-33.631220.0000033.63122-34.16687表7-2：R1=10k Ω，R2=100Ω V3（μV ） V4（μV ） V5（μV ） V5-V4（μV ） -V3/(-R1/R2)（μV ）-3596.22-33.632510.0000033.63251-35.9622表7-3：R1=100k Ω，R2=1k ΩV3（μV）V4（μV）V5（μV）V5-V4（μV）-V3/(-R1/R2)（μV）-5388.47 -33.61482 0.00000 33.61482 -53.88466根据上述仿真结果，给出运放的输入失调电压V IO。

尝试设置V3电压等于V IO，观察输出电压V3的变化。

仿真设置：Simulate--Analyses--DC Operating Point，设置需要输出的电压。

思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的V IO存在较大的差异？在实际测量中，若输入失调电压小，需要通过测量输出电压并计算得到V IO时，在电阻的选取上需要注意什么问题？答：（1）由3个表中数据得，运放的输入失调电压V IO=33.62618μV。

设置V3电压等于V IO 后，输出电压V3=-1.99586mV。

（2）思考：实际运放的输出电阻并非无穷大。

当外电阻R1和R2增大到一定数值时，其上的分压不能被忽略，因此会导致V IO的变化。

应尽量选取比较小的电阻，确保运放工作在较理想状态。

③增益带宽积（单位增益带宽）GBP根据图3所示电路进行频率扫描仿真（AC仿真），得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。

在幅频特性曲线中采用标尺（cursor）标出增益下降到最大增益值的0.707倍时对应的频率，并计算运放的增益带宽积GBP，即单位增益带宽。

在相频特性曲线中根据相位特征采用标尺分别标注出主极点和次主极点的频率。

（提交的仿真结果截图需带有标记信息）。

图3. 增益带宽积仿真电路仿真设置：Simulate--Analyses--AC Analysis，设置需要输出的电压，频率扫描范围，扫描类型和扫描点数等。

输入交流信号源在V3中设置，直流为0，交流输入信号幅度为1。

思考：若输入信号频率为100kHz，则采用LM358P能实现的最高增益是多少？答：（1）幅频特性和相频特性曲线：GBP=70.6796*9.9288k≈701.763k（2）思考：最高增益为GBP/100k≈701.763k/100k≈7。

④转换速率（压摆率）S Ra.当输入为大信号时，运放由于内部电容的充放电速度限制，输出信号可能不能完全跟随输入信号，而出现失真。

运放输出电压能达到的最大变化速度定义为转换速率S R，也称压摆率。

根据图4所示电路通过仿真得到运放的转换速率。

运放接成电压跟随器，输入信号为阶跃信号，阶跃信号初始电压-10V，阶跃后稳定电压10V，阶跃时间1ns，阶跃持续时间>1ms。

通过瞬态分析得到输出电压，并采用标尺标记出输出电压变化的斜率，即转换速率。

图4. 转换速率仿真电路b.将图4中的信号源V3改为正弦信号（在电压源中选择AC V oltage），振幅为10V（峰峰值20V），直流电压0V，当频率分别为1kHz和10kHz时，得到相应的输入输出波形对照图（在一张图中同时显示输入和输出波形），观察波形的变化并提交截图。

仿真设置：Simulate--Analyses--Transient Analysis，TSTOP根据信号频率改变，保证输出一个周期以上的波形。

思考：若图4的输入为正弦信号，振幅为10V ，直流电压0V ，根据第六章中的结论：R om S V ≤ω，则允许的最大输入信号频率为多少？答：（a ）运放输出电压：因此，S R =515.7117k 。

（b ）1k 的输入输出波形：失真不明显。

10k 的输入输出波形：有明显失真。

（3）思考：kHz Vk V S R 57.51107117.515om ≈≈≤ω2. 运放构成的应用电路①反相放大器图5所示电路为运放构成的反相放大器，按照一定参数进行瞬态仿真，采用Tektronix 示波器观察各个节点波形。

输入信号单端振幅为50mV ，频率分别为10Hz ，100Hz 和1kHz ，请提交三种频率条件下的节点3、节点4、节点5的波形截图（三个节点波形显示在一张图中）。

对于Y 轴，节点5波形的显示设置为2V/div ，节点4波形的显示设置为2mV/div ，节点3波形的显示设置为20mV/div ，X 轴设置至少保证两个周期的显示，并请在示波器中测量输出电压（节点5）的峰峰值。

注意观察不同频率条件下的输出电压幅度的变化，并给出解释。

图5. 反相放大器仿真设置：电路设计完成后，直接点击仿真软件控制面板上的run（绿色三角符号），双击示波器图标观察波形。

思考：a.在不同输入信号频率条件下，负端电压（图5中节点4电压）幅度一样吗？为什么？b.输入信号幅度为1kHz时，运放负端电压的相位和输出信号相位相差大约多少度？为什么？答：（1）不同频率条件下的输出电压幅度的变化：10Hz时输出电压幅度：9.99V（10Hz）100Hz时输出电压幅度：9.99V（100Hz）1kHz时输出电压幅度：9.94V（1kHz）产生上述现象的原因：放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。

（2）思考a：不一样。

因为放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。

180，因为运放是非理想的，不能达到完全的反相器的效果。

（3）思考b：相差小于o②电压转换电路由运放和三极管可以构成电压转换电路，如图6所示。

该电路可以讲某种直流电压转换为另一种直流电压，如图中电路在1V参考电压（V3）作用下，可以将±15V直流电压转换为3V左右的直流电压供负载使用，负载电阻为R3。

仿真任务：a.在图中参数条件下，扫描直流电压V1，电压范围4V--15V，扫描步长0.01V，扫描类型为线性扫描。

提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线，并根据仿真结果确定电源电压V2的最低电压。

（输出电压下降到1% 时的电源电压）；b.扫描负载R3，扫描范围为10Ω--1kΩ，步长10Ω，提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线。

图6. 运放构成的电压转换电路仿真设置：仿真任务a采用DC扫描，Simulate--Analyses--DC Sweep，设置扫描电压和输出电压；仿真任务b采用参数扫描，Simulate--Analyses--Parameter Sweep，设置扫描参数和输出电压。

思考：图6所示电路如何改造后就能实现恒定电流输出？提示：增加电流镜。

答：（1）V2的最低电压为2.9695V。

输出电压V4随电源电压V2的变化曲线：（2）输出电压V4随电源电压V2的变化曲线：（3）思考：修改电路如下（新增电流镜）。

③整流电路图7所示电路为运放构成的整流电路，运放的高增益使得该电路能实现小信号幅度的整流，克服了二极管整流的导通电压问题。

请写出输出电压表达式，并画出传输特性。

输入信号频率为1Hz，振幅分别为100mV，10mV，1mV时，请通过瞬态仿真得到输出电压波形（节点7），与输入信号V3同时显示。

图7. 运放构成的整流电路仿真设置：Simulate--Analyses--Transient Analysis，仿真时间2s，步长1ms。