基本集成运算电路 长安大学 电工电子实验教学中心 目录 CONTENTS 02 实验原理 03 实验仪器与设备 04 实验内容 05 实验报告及要求 01 实验目的 01 实验目的 PART ONE 1 Part 实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法； 2. 学会分析由集成运算放大电路组成的基本运算电路； 3. 掌握集成运算放大电路的测试方法； 4.了解运放在实际应用时应注意的问题。 02 实验原理 PART TWO 2 Part 实验原理 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路,是 发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。 集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一 块半导体芯片上, 组成一个不可分的整体。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。 集成电路分类 按集成度 按导电类型 按功能 小、中、大和超大规模 双、单极性和两种兼容 数字和模拟 1）集成运算放大器的简单介绍 各类型号集成运算放大器 2 Part 实验原理 集成运算放大器是一 种具有高增益的多级直接 耦合放大电路，从外部看， 可等效成双端输入、单端 输出的差分放大电路，对 零漂的抑制能力很强。 2）集成运算放大器的基本特性 输入级 中间级 偏置 电路 输出级 输 入 端 输 出 端 输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，采用 带恒流源的差分放大器 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放 大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般 由互补功率放大电路或射极输出器构成。 偏置电路: 一般由各种恒流源等电路组成。 集成运算放大器结构组成图 2 Part 实验原理 “＋”表示同相输入端；“－” 表示反相输入端。若反相输入端接 地，信号由同相输入端输入，则输 出信号和输入信号的相位相同；若 将同相输入端接地，信号从反相输 入端输入，则输出信号和输入信号 相位相反。集成运放的引脚除输入、 输出端外，还有正、负电源端，有 的集成运算放大器有调零端，如 μA741等。 3）集成运算放大器的符号 集成运算放大器的符号 +UCC –UCC uO + – + u– u + + – + Auo +UCC –UCC +UCC –UCC uO + – + u– u + + – + Auo 信号传 输方向 反相 输入端 同相 输入端 实际运算放大器 开环电压放大倍数 输出端 2 Part 实验原理 4）电压传输特性 uO = Auo(u+– u–)=Auouid u+– u– uO 线性区： uO = Auo(u+– u–)= Auouid +UO(sat) –UO(sat) 线性区 饱和区 O 非线性区： u+> u– 时，uO = +UO(sat) u+< u– 时，uO = –UO(sat) UO(sat)与运算放大器的电源电压有关, 一般 较电源电压低1~2 V。 2 Part 实验原理 理想运算放大器工作在线性区的特点 因为 uO = Auo(u+– u– )，Auo→ ∞ 所以：差模输入电压约等于 0 , 即 u+= u– ,称“虚短” 所以：输入电流约等于 0 , 即 i+= i–  0 ,称“虚断” 电压传输特性 + + ∞ uO u– u+ i+ i– –  + + ∞ uO u– u+ i+ i– –  u+– u– uO 线性区 –UO(sat) +UO(sat) O u+– u– uO 线性区 –UO(sat) +UO(sat) u+– u– uO 线性区 –UO(sat) +UO(sat) O Auo越大,运算放大器 的线性范围越小，必 须加负反馈才能使其 工作于线性区。 因为 Rid → ∞ 2 Part 实验原理 在分析运算放大器时，一般将它 看成是理想的运算放大器。理想化的 主要条件：   o u A   id r 0 o  r   CMRR K 由于实际运算放大器 的技术指标接近理想化条 件，用理想运算放大器分 析电路可使问题大大简化, 为此,后面对运算放大器的 分析都是按其理想化条件 进行的。 2 Part 实验原理 5）运算放大器在信号运算方面的应用 集成运算放大器与外部电阻、 电容、半导体器件等构成闭环电 路后，能对各种模拟信号进行比 例、加法、减法、微分、积分、 对数、反对数、乘法和除法等运 算。 运算放大器工作在线性区时， 通常要引入深度负反馈。所以，它 的输出电压和输入电压的关系基本 决定于反馈电路和输入电路的结构 和参数，而与运算放大器本身的参 数关系不大。改变输入电路和反馈 电路的结构形式，就可以实现不同 的运算。 03 实验设备与仪器 PART THREE 3 Part 实验设备与仪器 1、模拟实验箱 2、数字万用表 3、集成运算放大器LM324 4、数字示波器 5、信号源 3 Part 实验设备与仪器 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形 如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共 用外，四组运放相互独立。 04 实验内容 PART FOUR 4 Part 实验内容 1) 反相比例运算 (1) 电路组成 1 I 1 R u u i    F F O R u u i    因虚短, 所以u–=u+= 0， 称反相输入端“虚地”— 反相输入 的重要特点。 因虚断 i+= i– = 0 所以 i1  iF iF i1 i– i+ uO RF uI R2 R1 + + – – + +  –  uO RF uI R2 R1 + + – – + +  –  因要求静态时u+、 u– 对地 电阻相同，所以平衡电阻 R2 = R1 // RF (2) 电压放大倍数 4 Part 实验内容 反向比例运算电路 结论： (1) Auf为负值，即 uO与 uI 极性相反。因为 uI 加在反相输入端； (2) Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关, 与运算放大器本身参数无关； (3) | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 ； (4) 因u–= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”； (5) 电压并联负反馈, 输入、输出电阻低, ri = R1，共模输入电压低。 4 Part 实验内容 1）反向比例运算电路接线图 4 Part 实验内容 2）同向比例运算电路 O F 1 1 u R R R u    因虚断，所以u+ = uI I 1 F ) 1 ( O u R R u   (1) 电路组成 (2) 电压放大倍数 1 F i f 1 O R R u u Au    因虚短，所以 u– = uI ， 反相输入端不“虚地” 因要求静态时u+、u对地 电阻相同，所以平衡电阻 R2 = R1 // RF uO RF uI R2 R1 + + – – + +  –  u+ u– uO RF uI R2 R1 + + – – + +  –  u+ u– RF uI R2 R1 + + – – + +  –  u+ u– u+ u– 4 Part 实验内容 同向比例运算电路 结论： (1) Auf为正值，即 uO与 uI 极性相统。因为 uI 加在同相输入端； (2) Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关, 与运算放大器本身参数无关； (3) Auf ≥ 1 ，不可能小于 1 ； (4) u– = u+ ≠ 0, 反相输入端不存在“虚地”现象； (5) 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。 4 Part 实验内容 2）同向比例运算电路接线图 4 Part 实验内容 3）积分运算电路 由虚短及虚断性质可得 i1 = iF t u C R u C d d F 1 I  t u C d d O F   t u C R u d 1 I F 1 O    t u C i C d d F F  1 I 1 R u i  当电容CF的初始电压为 uC (t0) 时， 则有            0 I F 1 d 1 0 O t u t u C R u C t t   d 1 0 I F 1 O 0 t u t u C R t t     iF i1 uO CF uI R2 R1 + + – – + +  –  uO CF uI R2 R1 + + – – + +  –  4 Part 实验内容 ui t O 积分饱和 线性积分时间 –UO(sat) uO t O + UO(sat) uI = UI > 0 uI = –UI < 0 输出电压随时 间线性变化 UI –UI 线性积分时间 线性积分时间 采用集成运算放大器组成的积分电路, 由于电路的uO =  uC， 而电容的充电电流基本上是恒定的，故 uO 是时间 t 的一次函数， 从而提高了它的线性度。 F 1 I O(sat) 0 C R U U t  ≤ ≤ 若输入信号电压为恒定直流量，即 uI= UI 时，则    t U C R u d 1 I F 1 O t C R U F 1 I   输出电压u0和t成线性关系，当t＝RC时， u0=ui。当t＞RC时，u0增大，直到－ u0＝＋ U0M，积分输出电压幅值受到运放最大输出 电压U0M的限制，致使运放进入饱和状态， u0保持不变，而停止积分。 显然RC的数值越大，达到给定的U0值 所需的时间就越长。当输入为对称的方波， 经积分后，其输出U0为三角波。此时的输出 电压U0应分段计算。 Vi(t) t Vo(t) t t A B 4 Part 实验内容 3）积分运算电路 4 Part 实验内容 Vo C R1 RP Vi Rf 通常取 Rf >10R1 积分器在实际使用时，常在积分电 容的两端并联一个电阻 Rf ，形成直流负 反馈，用以限制电路的直流电压增益。 但是 Rf 的接入将对积分电容 C 产生 分流作用，从而导致误差。 为了减小积分误差，所以一般要求 Rf >>（1/jωC），即 f >>（1/2π Rf C）， 此时Rf可认为开路，电路为基本积分器。 3）积分运算电路 4 Part 实验内容 积分运算电路接线图 10K 10K 100K Vi Vo 0.1uf - + Rf R1 R2 Vi端输入频率为1KHz、幅 值为±0.25V（VP-P＝0.5V） 的方波信号， 观察和比较 Vi与Vo的幅值大小及相位 关系，并记录波形。 将电容换成0.22uF，再 次测量。 4 Part 实验内容 4）微分运算电路 F I 1 O d d R u t u C   t u C R u d d I 1 F O   iF i1 由虚短及虚断性质可得 i1 = iF uI t O UI –UI uO t O uO C1 uI R2 RF + + – – + +  –  uO C1 uI R2 RF + + – – + +  –  由于微分电路的输出电压与输入电压的变化率成 比例，而电路中的干扰信号都是迅速变化的高频信号, 因此微分器抗干扰能力差。 4 Part 实验内容 4）微分运算电路 基本微分电路的主要缺点是，当输入信号频率升高时，电容的容抗减小， 则放大倍数增大，造成电路对输入信号中高频噪声非常敏感。 因此，在实际 微分电路中，在输入回路中接入一个电阻R1与微分电容串联，从而抑制高频 噪声，提高电路的稳定性。 4 Part 实验内容 微分运算电路接线图 Vi Vo . - + R1 400Ω R2 0.22uf C R 10K 10K Vi端输入频率为1KHz、幅 值为±0.25V（VP-P＝0.5V） 的三角波信号， 观察和比 较Vi与Vo的幅值大小及相位 关系，并记录波形。 05 实验报告及要求 PART FIVE 5 Part 实验报告及要求 1. 整理实验数据，填入相应表格中。 2. 保存并打印示波器输出波形。 3. 总结反相比例、同相比例、微分电路、积分电路的特点。 4. 回答思考题。 5. 实验心得体会。