模电实验4(集成运放在信息运算方面的应用)

实验四集成运放在信息运算方面的应用实验原理与设计方法实验目的实验内容与设计电路指标预习与实验报告实验仪器实验思考与研究一二三四五六一、实验目的1．加深对集成运放基本特性的理解。2．学习集成运放在基本运算电路中的设计、应用及测试。VRi2ZpZnfVZAbiV１Ｏ图4.1运放构成的运放电路二、实验原理与设计方法集成运放是高增益的直流放大器，若在运算放大器的输入端与输出端之间加上适当的反馈网络，便可以实现不同的电路功能。例如，加入线性负反馈网络，可以实现信号的放大功能以及加、减、微分、积分等模拟运算功能；加入非线性负反馈网络，可以实现乘法、除法、对数等模拟运算功能。如果加入线性或者非线性正反馈网络（或将正、负两种反馈形式同时加入），就可以构成一个振荡器产生各种不同的形态的模拟信号（如正弦波、三角波等）由运算放大器和深度负反馈网络组成的模拟运算电路如图4.1所示。下面介绍运算放大器的几种基本应用电路。1．反相比较放大器特性的研究如图4.2所示，电路的输入信号与反馈信号在反相输入端并联，同时输入端接地，所以，反相比例运算放大器是具有深度并联负反馈放大电路。RfIiIfAOR2RVVi图4.2反相比例放大器由于集成运算放大器的开环增益高，A点近似为地电位，一般称为虚地，因此，A点对地的电压VA≈0。则(4.1)而当改变Rf/R1的比值，则可得到输出反相与输入电压有一定比例关系的电压值。当Rf=R1时，V0=-Vi，电路成为一个反相跟随器。iii11AVVVIRRfotoAfRVRVVIfiII1RRVVAftovfifoVRRV12．减法器（差分运算）特性的研究上图所示，输入信号Vi1和Vi2分别加到放大器的反相输入端和同相输入端。而同相输入端的电阻R2和R3组成分压器，将同相输入端的信号损耗一部分，以使得放大器对Vi1和Vi2的放大倍数的绝对值相等，以便有效地抑制输入信号的共模分量。由图可列出下列方程：VVi1i2R3RfV0AR2R1i11ofVVVVRRi223VVVRRVVi2i1i1i2()()ffoRRVVVVVRR如果R1＝R2＝R，Rf=R3则运算结果简化如下：3．反相加法器特性研究由图4.4所示，将n个模拟信号Vi1，……Vin分别通过电阻R1，……Rn加到运放的反相输入端，以便对n个输入信号电压实现代数加运算。在反相加法器中，首先将各输入电压转换为电流，由反相端流向反馈回路电阻Rf，经Rf转换为输出电压。R4RfAIi1i2i3123V0IIVVVIfR3R1R2图4.4反相加法器11i1VIR22i2VIRinnnVIRfofRVInfIIII21ii1i212()nofnVVVVRRRRi1i2i()fonRVVVVR由图可得解方程组可得当R1=R2=…=Rn=R时，则(4.3)在运算放大器具有理想特性时，各相加项的比例因子仅与外部电路的电阻有关，而与放大器本身的参数无关，选择适当的电阻值，就能得到所需的比例因子，这种加法器可以达到很高的精度和稳定性。补偿电阻R4用来保证电路的平衡对称，其值应选为nfRRRRR214////4．反相积分器特性研究如图4.5所示,当输入电压为Vi时，在电阻R1产生输入电流将向电容Cf充电；充电过程是输入电流在电容上随时间的电荷积累，而电容一端接在虚地点，另一端是积分器的输出，因此，输出电压V0将反映输入信号对时间的积分过程。图4.5反相积分器CRii则dtdVCRVofi1011()toifVVtdtRC由图可得(4.4)由此表明，输出电压正比于输入电压对时间的积分，其比例常数取决于反馈电路的时间常数，=RCf，而与放大器参数无关。式中R1=R2=R若输入电压Vi为直流电压VI，则tVRCVIfo15．单电源供电交流放大器在仅须放大交流信号时，若用运算放大器作放大，为减少一个电源，运算放大器常常采用单电源(正电源或负电源)供电。其方法是以电阻分压方式将同相端偏置在Vcc/2(或负电源VEE/2)附近。为了保证运算放大器两个输入端有相同的直流电压，分压电阻应取相同电阻值。图4.7所示为一单电源供电的反相比例放大电路。ViVoRRRRf12312CCVCCA图4.7三、实验内容与设计电路指标1．基本要求：（1）设计减法器，给定条件：电源电压为12V，的比值为10。集成运放为LM324①VI1=0.3V，VI2=0.5V②VI1=0.2V，VI2=-0.3V（2）设计反相加法器给定条件：电源电压为±12,的比值为10。VI1=1V，VI2=0.2V，VI3=-0.5VRRfRRf电路板安装有如图4.6所示为分压电路，在其两端加上±12伏直流电压（即连接运放的电源电压），用分压原理，可得到所需的小信号直流电压（以实际测量值为准）。图4.6分压电路注意：（3）反相积分器给定条件：R=10K，Cf=0.01μf,给积分电路输入频率分别为100Hz、1000Hz、10KHz，幅值1V的双极性方波信号,观察并记录输入、输出信号波形、幅度。2．扩展要求：（1)设计单电源供电的交流反相比例运算放大器（2）给定条件:电源电压+12V，Vi为交流正弦信号，f=1KHz，Avf=10,Vi在50～150mV范围内取值。（3）测量静态工作点（V+、V-、VO）、Avf、观察并记录工作波形。四实验仪器1．直流稳压电流1台2．函数信号发生器1台3．双踪示波器1台4．晶体管毫伏表1台5．万用表1台五预习与实验报告1．复习运算放大器应用理论（通用运放：LM324）2．根据给定条件，设计上述运算应用电路，并绘出电路图。3．用EDA技术对电路进行仿真，将仿真结果与实验测试值相比较。4．自拟实验步骤及测试记录表格。5．将实验测试值与理论值进行比较，分别分析误差原因。六实验思考与研究1.在由LM324构成的同相比例放大电路中，如果在Avf分别为10和100两种情况下电路的上限截止频率是否相同?为什么?2.在单电源比例放大电路中为什么输入输出端要加入电容?