集成运算放大器的基本应用
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集成运算放大器的基本应用
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3 实验十一 集成运算放大器的基本应用
—— 模拟运算电路
一、实验目的
1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。
2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。
二、实验仪器
1、双踪示波器
2、万用表
3、交流毫伏表
4、信号发生器
三、实验原理
在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。 1、 反相比例运算电路
电路如图11-1所示。对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 i F
O U R R U 1
-
= (11-1) R F 100K
10K R1R210K
U i
U O
-+
23
47
1
5
6
图11-1 反相比例运算电路
为减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1∥R F ,此处为了简化电路,我们选取R2=10K 。
2、反相加法电路
4 R F 100K
20K R2R35.1K
U i2
U O
-+
23
47
1
5
6
U i1R110K
图11-2 反相加法运算电路
电路如图11-2所示,输出电压与输入电压之间的关系为
)(
22
11i F i F O U R R
U R R U +-= R 3=R 1∥R 2∥R F (11-2)
3、同相比例运算电路
图11-3(a )是同相比例运算电路,它的输出电压与输入电压之间的关系为 i F
O U R R U )1(1
+
= R 2=R 1∥R F (11-3) 当R1→∞时,U O =U i ,即得到如图11-3(b )所示的电压跟随器。图中R2=R F ,用以减小漂移和起保护作用。一般RF 取10K Ω,R F 太小起不到保护作用,太大则影响跟随性。
R F 10K R25.1K
U i
U O -+
23
47
1
5
6
R110K R F 10K
R25.1K
U i
U O
-+
23
47
1
5
6
U1
U1
(a)同相比例运算 (b)电压跟随器
图11-3 同相比例运算电路
4、差动放大电路(减法器)
对于图11-4所示的减法运算电路,当R1=R2,R3=R F 时,有如下关系式: )(1
120i i U U R RF
U -=
(11-4)
5
图11-4 减法运算电路
5、积分运算电路
-+
23
47
1
5
6
U O
U i
R1100K R21M
R F
C10.1uF
+
C2100uF
100K
U1
图11-5 积分运算电路
反相积分电路如图11-5所示。在理想化条件下,输出电压U 0等于 001()(0)t
i C U t U dt U RC
=-
+⎰ (11-5) 式中U C (0)是t=0时刻电容C 两端的电压值,即初始值。 如果U i (t)是幅值为E 的阶跃电压,并设U C (0)=0,则 001()t E U t Edt t RC RC
=-
=-⎰ (11-6) 此时显然RC 的数值越大,达到给定的U O 值所需的时间就越长,改变R 或C 的值积分波形也不同。一般方波变换为三角波,正弦波移相。
6、微分运算电路
微分电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分,一般表达式为:
U =
dt
du RC
I -
(11-7)
利用微分电路可实现对波形的变换,矩形波变换为尖脉冲。
6 -+
23
47
15
6
U O
U i
R210K
R1
C10.1uF 10K
U1
图11-6 微分运算电路
7、对数运算电路
对数电路的输出电压与输入电压的对数成正比,其一般表达式为:
u 0=Klnu i K 为负系数。 (11-8) 利用集成运放和二极管组成如图11-7基本对数电路。
-+
23
4
7
1
5
6
U O
U i
R2100K R1100K
U1
D
图11-7对数运算电路
由于对数运算精度受温度、二极管的内部载流子及内阻影响,仅在一定的电流范围才满足指数特性,不容易调节。故本实验仅供有兴趣的同学调试。按如图11-7所示正确连接实验电路,D 为普通二极管,取频率为1KHz ,峰峰值为500mV 的三角波作为输入信号U i ,打开直流开关,输入和输出端接双踪示波器,调节三角波的幅度,观察输入和输出波形如下所示:
在三角波上升沿阶段输出有较凸的下降沿,在三角波下降沿阶段有较凹的上升沿。如若
波形的相位不对调节适当的输入频率。
8、指数运算电路
指数电路的输出电压与输入电压的指数成正比,其一般表达式为:
I
u Ke u 0
(11-9)
利用集成运放和二极管组成如图11-8基本指数电路。K 为负系数。