运算放大器的基本应用电子报告

东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称：
模拟电子电路实验
第 1 次实验
实验名称：
运算放大器的基本应用
院 （系）： 电子科学与工程学院
专 业： 电子科学与技术（类）
姓 名： 姜媛媛
学 号： 06A17337
实验时间： 2019 年 4 月 11 日
评定成绩：
审阅教师：
运算放大器的基本应用
一、 实验目的
VCC 12V
XSC1
A +_
B +_
Ext Trig + _
0
图4
5. 积分电路
图5
三、 预习思考：
查阅μA741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。
参数名称
参数值
参数意义及设计时应该如何考虑
输入 失调电压UIO
典型值 1~10mv
实际运放当输入电压为零时，输出端有一 个偏离零的直流电压Uos，为使为零，需 要在输入端加一个直流电压，即为输入失 调电压。
频率=5kHz 幅度
Vpp=200mV
频率=5kHz 幅度
Vpp =400mV
频率=5kHz 幅度 Vpp =200mV
U
见图 2.2.1 见图 2.3.1 见图 2.3.2
(2) 交流特性测量：
交流特性测量记录表
Ui
Uo
峰峰值（mVpp） 峰峰值（mVpp）
波形
200（205.2） 2050
见图 1.2.1
400（409.29） 4050
见图 1.2.2
4000（4090） 27020
见图 1.2.3
2600
25750
见图 1.2.4
增益
Au
误差
-9.99
0.1%
-9.89
运放能承受的最大共模输入电压范围 +12~+13V
25~40mA +18V
运放能输出的电流最大值 运放能承受的所加电源电压最大值
四、 实验内容
1. 实验内容一（见在线实验 1）：
反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅 μA741 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）。
图 1.1 反相输入比例运算电路 (1) 直流特性测量：
Ui/V
Uo/V
μA741 管脚图
直流特性测量记录表
Au
源自文库 测量值
理论值
-2
14
-7
-10
-0.5
5
-10
-10
0.5
-4.97
-9.94
-10
2
-12.84
-6.42
-10
实验结果分析：当输入信号为土 0.5v 的电压时，电路能够输出输入信 10 倍放大放 大功能，当输入信号增大到其输出信号理论值超过电源电压时，电路不能实现正常 的放大功能，运放的输出电压只能达到电源电压(此处为 15V),实际上这种情况发生 时，输出电压往往比电源电压低 1-2V。如本实验屮，输入电压为土 2V 时，理论输 出电压为-20V 或+20V，超过了电源电压，实际输出为-12.84V 和 14V。 观察数据发现，在输入电压的绝对值一定时，运放输出的正电压大于负电压，在输 出电压接近电源电压时表现得更加明显，由于放大器及电路本身结构具有不对称 性，可推断这样的结果是合理的。
(3) 增益改变的测量：
增益改变的测量记录表
R1 KΩ RF KΩ Ui mVpp Uo mVpp Au 实验值 Au 理论值 误差
10
100
100
（104.4）
1020
-9.77
-10
2.3%
10
200
100
2070
-19.48
-20 5.2%
（106.26）
20
100
100
516.32 -4.85
见图 2.2.2
U 见图 2.2.1 O
实验结果分析：
0.88%
见图 2.2.2
图 2.2.1
c) 其他自主测量与发现 幅度变化
图 2.2.2
输入波形 参数方波
U1
频率=1kHz 频率=1kHz 频率=1kHz 幅度 Vpp =1V 幅度 Vpp =1V 幅度 Vpp =2V
输入波形 参数正弦
波 U2
-5
3%
（106.51）
(4) 运放特性测量——最大输出电压：
自拟表格测量此时的运放交流特性和最大输出电压：
交流特性测量记录表
Ui
Uo
增益
峰峰值（mVpp） 峰峰值（mVpp）
波形
Au
误差
200（205） 2050
见图 1.3.1
-10
0
400（409.5） 4050
见图 1.3.2
-9.89
1.1%
0.73%
5.176
47.05%
10.91
0.85%
图 1.6.1 图 1.6.2
图 1.6.3
图 1.6.4 当电源电压变为+-12V 时，最大不失真输出电压峰峰值为 19.85V。失真时，最大输 出电压峰峰值为 21.17V。而当电源电压变为+-15V 时，最大不失真电压峰峰值为 25.82V。失真时，最大输出电压峰峰值为 26.99V。与数据手册相吻合。
VCC
4
R2
23
0 9R.11kΩ 1 2
10kΩ
7 1 5 U1
63
4VEE UA741CP VEE
-15V R3 100kΩ
XSC1
A +_
B +_
Ext Trig + _
0
图2
3. 减法电路
XFG1 0
3
XFG2
2
R1 10kΩ
R3
0
9.1kΩ VCC
VC1C5V 7 1 5 U1
3
6
2
4VEE UA741CP
当电压为输出信号时，外部量变化引起的 的输出电压变化 输入差模信号时，运放的输出电阻
运放输出电压和输出电流之比，即从输入 75Ώ
端看运放的等效电阻
0.7~1.6MHz
增益和带宽之比
当运放在闭环状态下，其输出端加上大信
0.5V/us 号（通常为阶跃信号）时，每1US内输出
电压变化的最大值。
+15v
同向反向端能承受的最大差模输入电压
1. 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法； 2. 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法； 3. 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。 4. 熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法。
-0.68 14.09 13.06
11.04 14.08
如有易派，请截图示波器上的两个输入和一个输出的波形：
图2.1.1 图2.1.2
图2.1.3 图2.1.4
图2.1.5 实验结果分析： 当u0的理论值大于电源电压（+-15V）时，输出电压将明显不满足减法关系，如 第二组和第五组实验。 实验中，将u2用负电压输入，实际实现了加法功能。
图 1.4 实验结果分析：与 RL=100k Ώ 时相比，最大不失真输出电压要小很多，这是最大 输出电流限制导致的。
(6) 设计一个同相输入比例运算电路，要求其放大倍数为 11。完成同相比例放大电路的 设计及仿真。测量同相比例放大电路的交、直流特性。测量运放的最大输出电压和 最大输出电流。拟定实验方案、设计记录表格、分析数据波形。(见在线实验第 1 单元的作业) 答： 直流特性测量数据：
4000（4080） 21180
见图 1.3.3
-5.19
48.1%
1870
18480
见图 1.3.4
9.88
1.18%
图 1.3.1 图 1.3.2
图 1.3.3
图 1.3.4 实验结果分析：当电源电压变为+-12V 时，最大不失真输出电压峰峰值为 18.48V。 失真时，最大输出电压峰峰值为 21.18V。而当电源电压变为+-15V 时，最大不失真 电压峰峰值为 25.75V。失真时，最大输出电压峰峰值为 27.02V。与数据手册相吻 合。 (5) 运放特性测量——最大输出电流：22.6mA 最大不失真输出电压：4.965V
输入
偏置电流IIB
直
输入
流
失调电流IIO
参 失调电压温漂
数 αUIO
共模抑制比KCMR
80~500nA 20~200nA 20uV/OC 70~90dB
运放输入级差分对管的基极电流IB1,IB2. IB1=UA/R1 IB2=UB/R3 当运放输出电压为零时，俩个输入端静态 电流的差值 IIO=IB1-IB2 在工作温度范围内，失调电压随温度变化 的比例 差模电压增益AUD与共模电压增益AUC之 比 KCM(dB)=20lg（AUD/AUC）
1
VEE R2 -15V
20kΩ
XSC1
A +_
0
B +_
Ext Trig + _
4
R4 100.0kΩ 0
图3 4. 微分电路
XSC2
G T A BC D
XFG1 4
C1
0.1µF
0
R1
10.0kΩ
C2
10nF 2 R2
10kΩ
VEE -12V
VEE
4
U1
2
1
3
3
6
7 1 5 UA741CP VCC
b)交流减法功能测量： 交流减法功能测量记录表
输入 第一组实验波形
误差
第二组实验波形
误差
1kHz 方波，幅度
U 为 1V
3%
1
见图 2.2.1
2.5kHz 三角波，
幅度为 1V
1%
见图 2.2.2
5kHz 正弦波，幅
U 度为 200mV
5%
2
见图 2.2.1
5kHz 正弦波，幅
度为 200mV
0.8%
运放的最大输出电流: RL=220Ώ 时，最大不失真输出电压为 4.965V； 最大输出电流为 22.57mA。
图 1.7 实验数据分析：与 RL=100k Ώ 时相比，最大不失真输出电压要小很多，这是最大 输出电流限制导致的。
注意：实验内容一的电子报告必须上传提交到在线实验第 1 单元的作业中。
2. 实验内容二（见在线实验 2）：
(1) 设计一个减法电路，满足 uo = 3u1 − 2u2 ,预习时设计好电路图，并用 Multisim 软件
仿真，完成减法电路的设计及仿真测量；按仿真设计的电路参数完成电路的连接； 用不同的直流电压输入测量输出与输入的关系；用一个方波信号和一个正弦波信号 观察波形叠加；改变输入波形幅度观察输出波形变化规律；其他自主测量与发现（例 如输入幅度、频率变化，输入电阻对测量的影响……）；拟定实验方案、设计记录 表格、分析数据波形、撰写实验报告(见在线实验第 2 单元的作业)。 电路仿真如下：
开环差模 电压增益AVD
无反馈时，运放输出电压除以同向端和反 106
向端之间的电压差
输出 电压摆幅UOM 差模输入电阻RID
输出电阻RO
交 增益带宽积G.BW
流
参
转换速率SR
数
最大差模
极
输入电压UIOR
限
最大共模
参
输入电压UICR
数 最大输出电流IOS
最大电源电压USR
12~14V 0.3~2MΏ
二、 实验原理
1. 反向比例放大电路
XFG1
4 0
R1 9.1kΩ 0
VCC 15V
1 VCC
R2 10kΩ
7 1 5 U1
3 6
32
4
741
R3 100kΩ
VEE -15V
VEE 2
R4 100kΩ 0
XSC1
A +_
B +_
Ext Trig + _
0
图1 2. 同相比例放大电路
XFG1
VCC 15V
图 1.5.4
交流特性测量记录表
Ui
Uo
峰峰值（mVpp） 峰峰值（mVpp）
波形
200（205.51） 2260
见图 1.6.1
400（409.35） 4470
见图 1.6.2
4000（4090） 21170
见图 1.6.3
1820
19850
见图 1.6.4
增益
Au
误差
11.3
2.73%
10.92
1.1%
-6.744
32.45%
-9.90
1%
图 1.2.1
图 1.2.2 图 1.2.3
图 1.2.4 实验结果分析： 如图，从波谷波峰来看，输出信兮波峰对应于输入信号波谷，同样的, 输出信号波 谷对应输入信号波峰，可见，实现了反相的功能。同时由信号的峰峰值的大小情况 来看，实现|Av|=10 的放大功能。
直流特性测量记录表
Ui/V
Uo/V
Au
测量值
理论值
-2
-12.76
6.38
11
-0.5(-0.496)
-5.4
10.89
11
0.5(0.503)
5.56
11.05
11
2
14.02
7.01
11
交流特性测量数据： 交流特性测量记录表
Ui
Uo
峰峰值（mVpp） 峰峰值（mVpp）
波形
200（205.73） 2250
见图 1.5.1
400（408.74） 4560
见图 1.5.2
增益
Au
误差
10.94
0.576%
11.16
1.42%
4000（4100） 26990
2370
25820
见图 1.5.3 见图 1.5.4
6.58 10.89
40.15% 0.959%
图 1.5.1 图 1.5.2
图 1.5.3
运放的最大输出电压：
图 2.1
a)直流减法功能测量：
图 2.2 直流减法功能测量记录表
第一组 第二组 第三组 第四组 第五组
U /V
0.1
4.99
3
3
4
1
U /V
0.51 -1.96 -1.96 -0.97 -4.94
2
U /V（理论值） O
-0.72 18.89 12.92
10.94 21.88
U /V（测量值） O