集成运算放大器的基本应用

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）

U i

O

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

U O

U

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。

(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）

图11-4 减法运算电路

5、积分运算电路

C1

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：

0U =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。

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。

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。

图11-8指数运算电路

由于指数运算精度同样受温度、二极管的内部载流子及内阻影响，本实验仅供有兴趣的同学调试。按如图11-8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1V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，在三角波上升阶段输出有一个下降沿的指数运算，在下降沿阶段输出有一个上升沿运算阶段。如若波形的相位不对调节适当的输入频率。

四、实验内容

*实验时切忌将输出端短路，否则将会损坏集成块。输入信号时先按实验所给的值调好信号源再加入运放输入端，另外做实验前先对运放调零，若失调电压对输出影响不大，可以不用调零，以后不再说明调零情况，调零方法见实验十步骤3。

a. 反相比例运算电路

1、关闭系统电源。按图11-1正确连线。连接信号源的输出和U i。

2、打开直流开关。调节信号源输出f=100Hz，Ui=0.5V（峰峰值）的正弦交流信号，用毫伏表测量U i、U O值，并用示波器观察U O和U i的相位关系，记入表11-1。

表11-1 Ui=0.5V（峰峰值），f=100Hz

b. 同相比例运算电路

1、按图11-3(a)连接实验电路。实验步骤同上，将结果记入表11-2。

2、将图11-3(a)改为11-3(b)电路重复内容1)。

表11-2 Ui=0.5V, f=100Hz

c. 反相加法运算电路

1、关闭系统电源。按图11-2正确连接实验电路。连接简易直流信号源和U i1、U i2，图11-9所示电路为简易直流信号源。

U i1U i2

图11-9 简易可调直流信号源

2、打开系统电源，用万用表测量输入电压U i1、

U i2(且要求均大于零小于0.5V)及输出电压U O ，记入下表。

d. 减法运算电路

1、关闭系统电源。按图11-4正确连接实验电路。采用直流输入信号。

2、打开系统电源。实验步骤同内容3，记入表11-4。