东南大学信息学院 模电实验七

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：

V

k

K B X Y V B V Y X B

X 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)（μ

V ） -3416.69

-33.63122

0.00000

33.63122

-34.16687

表7-2：R1=10k Ω，R2=100Ω V3（μV ） V4（μV ） V5（μV ） V5-V4（μV ） -V3/(-R1/R2)（μ

V ）

-3596.22

-33.63251

0.00000

33.63251

-35.9622

表7-3：R1=100k Ω，R2=1k Ω

V3（μV）V4（μV）V5（μV）V5-V4（μV）-V3/(-R1/R2)（μ

V）-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：