【东南大学模电实验】实验七运算放大器及应用电路

实验七运算放大器及应用电路
实验目的：
1.认识运放的基本特性，通过仿真测试了解运放的基本参数，学会根据实际情况选择运放
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、仿真实验。

1.运放基本参数
电压传输特性
如图，用DC Sweep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.
DC Sweep仿真结果：
A vd0=V(3)/V3=dy/dx=99.599k
将扫描电压范围设为-500μV~500μV，当斜率为99.5987k时，测得线性工作区输入电压范围为-14.369V~12.9402V。

思考：
A.当输入差模电压为0时，输出电压为多少？若要求输出电压为0，如何施加输入信号？为什么？
输入差模电压为0时，输出电压为-3.3536V。

若要求输出电压为0，应将输入电压V3置为33.604μV。

B.观察运放输出电压的最高和最低电压，结合LM358P内部原理图所示电路分析该仿真结果的合理性。

最低电压：-14.369V，最高电压：12.9402V。

最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。

IN+可对OUT下边的PNP管射级电流造成影响。

IN+在很小的正电位时，输出为0，这导致了最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。

输入失调电压
根据下图所示电路，仿真得到LM358P的输入失调电压V IO。

R1=1kΩ，R2=10Ω，进行直流工作点仿真，并完成表1
R1=10kΩ，R2=100Ω，进行直流工作点仿真，并完成表2
R1=100kΩ，R2=1kΩ，进行直流工作点仿真，并完成表3
表1
V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -3416.60 -33.6312 0 33.6312 -34.16687
表2
V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -3596.2 -33.6325 0 33.6325 -35.962
表3
V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -5388.47 -33.6148 0 33.6148 -53.8847
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=V IO，观察输出电压V(3)的变化。

由上表可得，V IO=V+-V-=V5-V4=33.63μV
当V3=33.63V时，得三种情况的输出电压如下：
R1=1kΩ，R2=10ΩR1=10kΩ，R2=100ΩR1=100kΩ，R2=1kΩ
-24.0352μV -203.2571μV -1.9955mV
可见输出电压很小，可视为满足V IO条件（输出电压为零时在输入端所加的补偿电压）。

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？实际测量中，若输入失调电压过小，需要通过测量输出电压并计算得到V IO时，电阻的选取上要注意什么？
失调电压是输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为折算到输入端的失调电压。

亦即使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压。

运放的输入电阻不是无穷大，这导致了失调电压的存在。

因此要尽量选择小电阻，减小分压的影响。

增益带宽积GBP
根据下图进行AC仿真，得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。

标出增益降到最大增益值0.707倍时对应的频率，计算GBP。

相频特性中标记主极点、次主极点的频率。

仿真结果如下：
-3dB的频率为9.85kHz。

主极点频率9.85kHz，次主极点（相移180）频率100MHz。

GBP=99.8986*9.8509k=984.091kHz
思考：若输入信号频率为100kHz，采用LM358P能得到的最高增益？
当频率为GBP时，器件的增益下降到单位增益。

即此时A=1。

同时说明这个放大器最高可以以GBP的频率工作而不至于使输入信号失真。

因此Avmax=GBP/100k=9.841dB。

④转换速率（压摆率）S R
A.当输入为大信号时，运放限于电容充放电速度出现失真，其输出电压能达到的最大变化速率定义为压摆率。

根据下图进行瞬时分析（Transient Analysis）得到的结果得到S R。

仿真结果如下：
可见S R=dy/dx=496.74k
B.将上图V3改为正弦信号，振幅10V ，频率分别为1kHz 和10kHz 时得到相应的输入输出波形对照图，观察波形变化。

1kHz ：
10kHz ：
其中红线（V(3)）为输出电压，绿线（V(4)）为输入电压。

可见当信号频率越大，输出电压越滞后于输入电压，失真越明显。

这是因为 т
=
C
j 1R
1
RC 1ω=，因此频率越大，т越大，电容充放电时间越长，输出电压滞后越明显。

思考：若本实验中的输入为正弦信号，振幅为10V，直流电压0V，ωV om<=S R，允许的最大输入信号频率？
ω<=S R/Vom=496.74k/10=49.674k rad/s
f=ω/2π=7.9kHz
2.运放构成的应用电路。

反向放大电路
按下图参数进行瞬态仿真，用Tektronix示波器观察各节点波形。

CH1 ----输出端
CH2 ----负端
CH3 ----V3
频率波形输出峰峰值
10Hz 9.99V 100Hz 9.99 1kHz 9.94
思考：
A.在不同输入信号频率条件下，负端电压（V(4)）幅度一样吗？为什么？
不一样。

且信号频率越大，V （4）幅度越大。

这是因为运放内部有电容，容抗受频率影响，
jwC
1
Xc
，频率越大容抗越小，输出电压幅度越大。

B.输入信号频率1kHz 时，运放的负端相位和输出信号相差约多少度？为什么？ 相差略小于π，这是因为运放的不理想性。

电压转换电路
由运放和三极管可以构成电压转换电路。

可将某种直流电压转换为另一种直流电压。

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 ，补偿0.01V ，线性扫描。

提交V （4）随V2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1%的电源电压）。

B.扫描负载R3，扫描范围10Ω~1kΩ，步长10Ω，提交V4随V2的变化曲线。

可见在上升过程中，同一V1时，R3越大，输出电压（4）越大；当V1达到约6V时，输出电压不再变化。

思考：本题电路如何改造后就能实现恒定电流输出？
增加电流镜：
DC sweep I(Q3[c])：
可见实现了恒定电流输出。

整流电路
如图为运放构成的整流电路，运放的高增益使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。

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，与V3同时表示。

100mV 10mV
1mV
可见输入幅度越小，失真越严重。

思考：小信号输入时，如振幅为1mV，输出波形会严重失真，什么原因？如何更改参数减小失真？
由于运放的非理想型，输入阻抗不是--〉∞，输入电压过小时，电流过小。

改进方法：保持R1/R2值不变，减小阻值。

下图为R1=20Ω，R2=10Ω，输入幅度1mV的Transient Analysis：
可见失真度较R1=20kΩ，R2=10kΩ，输入幅度1mV大大减小。

三、硬件实验。

实验任务：
1.若二极管1N3064的导通电压V D（ON），请写出U2A输出的三角波的正峰值和负峰值电压表达式。

正峰值=V D（ON）R6/R1
负峰值=-V D（ON）R6/R1
2.写出U2A输出三角波的周期表达式
T=4*R2*R6*C1/R1
3.若要求三角波频率100Hz，正负峰值2V，指标误差不超过10%。

在面包板上搭电路，并通过测试确定R2、R6值，C1=100nF。

提交节点8、节点10的示波器截图，测量频率、峰峰值。

R2=8kΩ
R6=177kΩ
测试结果如下：
CH1---节点10
CH2----节点8
可见U2A输出三角波，幅度为2.032V，T=（4480-2320）*5=10.8s
f=1/10.8=92.6Hz
4.给电路施加调制信号V3，提交节点13和节点11波形。

CH1----节点13
CH2-----节点11
5.将调制信号V3的交流幅度设为0，连续更改其直流电压记录LED1和LED2的亮度随该直流电压变化情况，并解释。

直流偏移为负且绝对值增大时，LED2变暗，LED1变亮；直流偏置小于-2000mV时LED2灭。

直流偏移为正且绝对值增大时，LED1变暗，LED2变亮；直流偏置大于2000mV时LED1灭。

V3的交流幅度设为0时U3A为电压比较器，当输入电压大于2V时输出为低电平，LED2亮；当输入电压小于-2V时输出为高电平，LED1亮；输出信号为一周期信号且在同一周期内有正有负，由于信号周期过小，因此LED1和LED2看起来都亮。

思考：PWM调制对三角波的线性度要求较高，该实验如何提高这种线性度的？
利用电容器的充放电过程中电流不变、电压线性增加来实现三角波的高线性度。