1、实验七 运算放大器及应用电路实验目的：1、认识运算放大器的基本特性，通过仿真和测试了解运放基本参数，学会根据实际需求选择运放；2、了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法。实验内容：1、实验预习1. 运放的理想化条件；2. 运放的各种基本电路结构；3. 熟悉运放 LM358P 的性能参数及管脚布局，并根据内部原理图理解电路结构和工作原理。LM358P 为单片集成的双运放，采用 DIP-8 封装，1IN-为第一个运放的负端输入，1IN+为正端输入，1OUT 为输出，第二个运放命名原则相同。 Vcc 为正电源输入端，GND可以接地，也可以接负电压。LM358P 主要由输入差分对放大器，单端放大器，
2、推挽输出级以及偏置电路构成。2、仿真实验1. 运放基本参数电压传输特性根据图 1 所示电路，采用正负电源供电，运放负端接地，正端接直流电压源 V3，在-50V50V 范围内扫描 V3 电压，步进 1V，得到运放输出电压（节点 3）随输入电压V3 的变化曲线，即运放电压传输特性，根据仿真结果给出 LM358P 线性工作区输入电压范围，根据线性区特性估算该运放的直流电压增益 Avd0。图 1. 电压传输特性仿真电路仿真设置：Simulate-Analyses-DC Sweep，设置需要输出的电压。思考：a.当输入差模电压为 0 时，输出电压等于多少？若要求输出电压等于 0，应如何施加输入电压？b.
3、观察运放输出电压的最高和最低电压，结合 LM358P 内部原理图分析该仿真结果的合理性。答：（1）：运放输出电压随输入电压变化曲线：LM358P 线性工作区输入电压范围：-109.8328V163.1595V。运放的直流电压增益 Avd0=99.5986k。（2）思考 a：输入差模电压为 0 时，输出电压=-3.3536V；要使输出电压等于 0，应使V+=33.6712V 。原因：在运放的线性工作区内，此题中可认为差模电压与输出电压成正相关，设输出电压为 Y，输入电压（即输入差模电压）为 X，线性比例系数 K。因此可认为满足以下关系：VkKBXYVK6712.3598.-036.， 所 以要
4、使 。，时 ，当（3）思考 b：运放的最高电压为 13.3537V，最低电压为-14.8574V 。由于运放内部存在诸多二极管和三极管。实际输出应减去管子的压降之和。输入失调电压根据图 2 所示电路，仿真得到运放 LM358P 的输入失调电压 VIO。V IO 既可以先测量输出电压 VO（图 2 中节点 3 电压） ，再根据 VIO=-VO/(-R1/R2)计算得到；也可以直接测量运放正负端电压差得到。前者适合 VIO 比较小的情况，后者适合 VIO 比较大的情况。当 R1=1k，R2=10，进行直流工作点仿真，并完成表 7-1。当 R1=10k，R2=100 ，进行直流工作点仿真，并完成表
5、7-2。当 R1=100k，R2=1k ，进行直流工作点仿真，并完成表 7-3。图 2. 输入失调电压仿真电路表 7-1：R1=1k，R2=10V3（V） V4（V） V5（V） V5-V4（V） -V3/(-R1/R2)（V）-3416.69 -33.63122 0.00000 33.63122 -34.16687表 7-2：R1=10k，R2=100V3（V） V4（V） V5（V） V5-V4（V） -V3/(-R1/R2)（V）-3596.22 -33.63251 0.00000 33.63251 -35.9622表 7-3：R1=100k，R2=1kV3（V） V4（V） V5（V）
6、 V5-V4（V） -V3/(-R1/R2)（V）-5388.47 -33.61482 0.00000 33.61482 -53.88466根据上述仿真结果，给出运放的输入失调电压 VIO。尝试设置 V3 电压等于 VIO，观察输出电压 V3 的变化。仿真设置：Simulate-Analyses-DC Operating Point，设置需要输出的电压。思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的 VIO 存在较大的差异？在实际测量中，若输入失调电压小，需要通过测量输出电压并计算得到 VIO 时，在电阻的选取上需要注意什么问题？答：（1）由 3 个表中数据得，运放的输入失调电压 VIO=3
7、3.62618V。设置 V3 电压等于VIO 后，输出电压 V3=-1.99586mV。（2）思考：实际运放的输出电阻并非无穷大。当外电阻 R1 和 R2 增大到一定数值时，其上的分压不能被忽略，因此会导致 VIO 的变化。应尽量选取比较小的电阻，确保运放工作在较理想状态。增益带宽积（单位增益带宽）GBP根据图 3 所示电路进行频率扫描仿真（AC 仿真） ，得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。在幅频特性曲线中采用标尺（cursor）标出增益下降到最大增益值的 0.707倍时对应的频率，并计算运放的增益带宽积 GBP，即单位增益带宽。在相频特性曲线中根据相位特征采用标尺分别标注出主极点和
8、次主极点的频率。 （提交的仿真结果截图需带有标记信息） 。图 3. 增益带宽积仿真电路仿真设置：Simulate-Analyses-AC Analysis，设置需要输出的电压，频率扫描范围，扫描类型和扫描点数等。输入交流信号源在 V3 中设置，直流为 0，交流输入信号幅度为 1。思考：若输入信号频率为 100kHz，则采用 LM358P 能实现的最高增益是多少？答：（1）幅频特性和相频特性曲线：GBP=70.6796*9.9288k701.763k（2）思考：最高增益为 GBP/100k701.763k/100k 7。转换速率（压摆率）S Ra.当输入为大信号时，运放由于内部电容的充放电速度限
9、制，输出信号可能不能完全跟随输入信号，而出现失真。运放输出电压能达到的最大变化速度定义为转换速率 SR，也称压摆率。根据图 4 所示电路通过仿真得到运放的转换速率。运放接成电压跟随器，输入信号为阶跃信号，阶跃信号初始电压-10V，阶跃后稳定电压 10V，阶跃时间 1ns，阶跃持续时间1ms。通过瞬态分析得到输出电压，并采用标尺标记出输出电压变化的斜率，即转换速率。图 4. 转换速率仿真电路b.将图 4 中的信号源 V3 改为正弦信号（在电压源中选择 AC Voltage） ，振幅为 10V（峰峰值 20V） ，直流电压 0V，当频率分别为 1kHz 和 10kHz 时，得到相应的输入输出波形对
10、照图（在一张图中同时显示输入和输出波形） ，观察波形的变化并提交截图。仿真设置：Simulate-Analyses-Transient Analysis，TSTOP 根据信号频率改变，保证输出一个周期以上的波形。思考：若图 4 的输入为正弦信号，振幅为 10V，直流电压 0V，根据第六章中的结论：，则允许的最大输入信号频率为多少？RomSV答：（a）运放输出电压：因此，S R=515.7117k。（b）1k 的输入输出波形：失真不明显。 10k 的输入输出波形：有明显失真。（3）思考： kHzVSR57.107.51om2. 运放构成的应用电路反相放大器图 5 所示电路为运放构成的反相放大器，
11、按照一定参数进行瞬态仿真，采用 Tektronix示波器观察各个节点波形。输入信号单端振幅为 50mV，频率分别为 10Hz，100Hz 和1kHz，请提交三种频率条件下的节点 3、节点 4、节点 5 的波形截图（三个节点波形显示在一张图中） 。对于 Y 轴，节点 5 波形的显示设置为 2V/div，节点 4 波形的显示设置为2mV/div，节点 3 波形的显示设置为 20mV/div，X 轴设置至少保证两个周期的显示，并请在示波器中测量输出电压（节点 5）的峰峰值。注意观察不同频率条件下的输出电压幅度的变化，并给出解释。图 5. 反相放大器仿真设置：电路设计完成后，直接点击仿真软件控制面板上
12、的 run（绿色三角符号） ，双击示波器图标观察波形。思考：a.在不同输入信号频率条件下，负端电压（图 5 中节点 4 电压）幅度一样吗？为什么？b.输入信号幅度为 1kHz 时，运放负端电压的相位和输出信号相位相差大约多少度？为什么？答：（1）不同频率条件下的输出电压幅度的变化：10Hz 时输出电压幅度：9.99V （10Hz）100Hz 时输出电压幅度：9.99V （100Hz）1kHz 时输出电压幅度：9.94V （1kHz）产生上述现象的原因：放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。（2）思考 a：不一样。因为放大器内部有电容
13、，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。（3）思考 b：相差小于 ，因为运放是非理想的，不能达到完全的反相器的效果。o180电压转换电路由运放和三极管可以构成电压转换电路，如图 6 所示。该电路可以讲某种直流电压转换为另一种直流电压，如图中电路在 1V 参考电压（V3 ）作用下，可以将 15V 直流电压转换为 3V 左右的直流电压供负载使用，负载电阻为 R3。仿真任务：a.在图中参数条件下，扫描直流电压 V1，电压范围 4V-15V，扫描步长 0.01V，扫描类型为线性扫描。提交输出电压 V4 随电源电压 V2 的变化曲线，并根据仿真结果确定电源电压
14、V2 的最低电压。 （输出电压下降到 1% 时的电源电压） ；b.扫描负载 R3，扫描范围为 10-1k，步长 10，提交输出电压 V4 随电源电压 V2 的变化曲线。图 6. 运放构成的电压转换电路仿真设置：仿真任务 a 采用 DC 扫描，Simulate-Analyses-DC Sweep，设置扫描电压和输出电压；仿真任务 b 采用参数扫描，Simulate-Analyses-Parameter Sweep，设置扫描参数和输出电压。思考：图 6 所示电路如何改造后就能实现恒定电流输出？提示：增加电流镜。答：（1）V2 的最低电压为 2.9695V。输出电压 V4 随电源电压 V2 的变化曲
15、线：（2）输出电压 V4 随电源电压 V2 的变化曲线：（3）思考：修改电路如下（新增电流镜） 。整流电路图 7 所示电路为运放构成的整流电路，运放的高增益使得该电路能实现小信号幅度的整流，克服了二极管整流的导通电压问题。请写出输出电压表达式，并画出传输特性。输入信号频率为 1Hz，振幅分别为 100mV，10mV，1mV 时，请通过瞬态仿真得到输出电压波形（节点 7） ，与输入信号 V3 同时显示。图 7. 运放构成的整流电路仿真设置：Simulate-Analyses-Transient Analysis，仿真时间 2s，步长 1ms。思考：在小信号输入时，如振幅 1mV，输出波形会严重失
16、真，主要是什么原因导致这种失真？如何更改参数来减小这种失真？提示：运放的非理想性。答：（1）输出电压表达式及传输特性：（2）不同振幅时输入输出信号波形：100mV 时输入（V3） 、输出（节点 7）电压波形：10mV 时输入（V3） 、输出（节点 7）电压波形：1mV 时输入（V3） 、输出（节点 7）电压波形：（2）思考：运放非理想，当振幅大于 0 但较小时，运放的放大倍数不足以使 D1 完全导通。并且由于运放的非理想性，V5 与 V3 并非完全相等，所以在 R5-R2-R1 这一通路上，存在电流，因此在 R1 上产生压降。所以导致 V7 较大失真。改变 R1 和 R2 的比例可减小这种失真
17、。3、硬件实验图 8 为运放构成的脉冲宽度调制电路。其中，U1A 和 U2A 构成三角波发生器，U3A构成脉冲宽度调制电路。最终输出波形（节点 12）的脉冲宽度随着调制信号（U3A 的负端输入信号）幅度的变化而变化。PWM 调制技术可以简单的实现模拟控制到数字控制的转换，具有控制灵活、动态响应好、抗干扰能力强等优点，广泛应用在测量、通信、功率控制与变化的许多领域中。实验任务：1. 若二极管 1N3064 的导通电压为 VD(on)，请写出 U2A 输出的三角波电压的正峰值和负峰值电压的表达式，电阻符号与图 8 中保持一致；2. 写出 U2A 输出的三角波信号的周期表达式；3. 若要求三角波频率
18、 100Hz，正负峰值都为 2V，指标误差不超过 10%，请在面包板上完成实验电路，并通过测试确定电路中电阻 R2 和 R6 的值，电容 C1 取 100nF，其余电阻按照图中给出的参数取值，电路完成后提交节点 8 和节点 10 的示波器截图（显示在同一张图中） ，并测试频率和峰峰值；4. 按照图中所示，给电路施加调制信号 V3（U3A 的负端输入信号） ，提交节点 13 和节点11 的波形（显示在同一张图中） ；5. 将调制信号 V3 的交流幅度设置为 0，通过连续改变调制信号的直流电压（OFFSET） ，观察并记录 LED1 和 LED2 的亮度随该直流电压的变化情况，并给出合理的解释。图
19、 8. 运放构成的脉冲宽度调制（PWM）电路思考：PWM 调制对三角波的线性度要求较高，图 8 中电路是如何实现这种高线性度的？答：（1）正峰值= ；负峰值=onVR16onVR16-（2）16212t01061 4C- RCTtRVidVonon式 等 价 ，因 此 ， 要 是 上 述 到 以 下 式 子 ：根 据 运 放 的 性 质 ， 可 得（3）二极管电压 Von=0.669V；kR37.192on6kCVTH6.8410on2节点 8（绿色）和节点 10（红色）的波形如下：节点 8 频率=100Hz；峰峰值 =1349mV；节点 10 频率=100Hz；峰峰值 =1372mV。（一）调整之前波形：（2）调整 R2、R6 之后的波形：（4）节点 13（红色）和节点 11（绿色）的波形如下：（5）OFFSET 增大，LED1 和 LED2 亮度增大；占空比增大时，出现只有一盏灯亮的情况。因为当方波占空比为 50%，由于人眼的视觉暂留，会看到两盏灯同时亮。当占空比增大时，就会看到明显的灯暗的过程；不同OFFSET 时对应的占空比如下图所示：100mV： 300mV： 500mV：
