运算放大器和受控源.doc

1、1实验六 运算放大器和受控源一、实验目的 获得运算放大器和有源器件的感性认识。 学习含有运算放大器电路的分析方法。 掌握受控源转移参数的测试方法。二、原理与说明 运算放大器运算放大器（简称运放）是一种高增益（可达几万倍甚至更高） 、高输入电阻、低输出电阻的放大器。运放是一种有源多端元件，图 6-1（a）表示它的电路图形符号。O(a) aibiaubu ou(b) aibiabuoibaA(u)ou(c)EE图 6-1 运算放大器及其电路模型图 6-1（b）表示它的电路符号。运放有两个输入端 a、b 和一个输出端 O 。电源端子和 连接直流偏置电压，以维持运放内部晶体管正常工作。 端接正电压、

2、端E EE接负电压，这里电压的正负是对“地”或公共端而言的。运放的工作特性是在接有正、负电源（工作电压）的情况下才具有的。运放的两个输入端中，一个是同相输入端，另一个是反相输入端。其中：“+”端称为同相输入端，即：信号从同相输入端输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性相同。 “-”端称为反相输入端，即：信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性相反。如果运放工作在线性区， “+”、 “-”端分别接输入电压 、 ，则输出端电压 。其中bua ()obauAu=-是运放的开环放大倍数。oA在理想情况下， 和输入电阻 为无穷大，而输出电压 是一个有限的数值，故oAinRo

3、可知 ，因此有： obau-=2bau=0inaiR上式表明： 运算放大器的“+”端与“-”端之间等电位，即： ，通常称为“虚短u+-=路” 。 运算放大器的输入端电流等于零，即： ，通常称为“虚断路” 。0abi=此外，理想运算放大器的输出电阻为零。这些重要性质是简化分析含有运算放大器网络的依据。运算放大器的电路模型为受控源，如图 6-1（c）所示。在它的外部接入不同的电路元件，可以实现信号的模拟运算或模拟变换，它的应用极其广泛。含有运算放大器的电路是一种有源网络，在电路实验中主要研究它的端口特性以了解其功能。2 受控源受控源与独立电源不同，独立电源的电动势或电流是某一固定数值或某一时间函数

4、，不随电路其余部分的状态而改变，如理想独立电压源的电压不随其输出电流而改变，理想独立电流源的输出电流与其端电压无关。独立电源作为电路的输入，它代表了外界对电路的作用。受控源的电动势或电流则随网络中另一支路的电流或电压（称为控制量）而变化。受控源又与无源元件不同，无源元件的电压和它自身的电流有一定的函数关系，而受控源的电压或电流则和另一支路（或元件）的电流或电压有某种函数关系。受控源可以用运算放大器来实现。受控源分受控电压源和受控电流源两类。而每一类按控制量不同又分电压控制与电流控制两种，所以受控源有四种类型，即：电压控制电压源（VCVS） 、电压控制电流源（VCCS） 、电流控制电压源（CCV

5、S）和电流控制电流源（CCCS） 。（1 ）电压控制电压源（VCVS） ，如图 6-2(a) 所示。由于运算放大器的“+”和“- ”端为虚短路，有 1abu=故 212aRui=又因 12i所以 122111222()()()RRuRuii u=+=+运算放大器的输出电压 受输入电压的控制，它的电路模型如图 6-2（b）所示，其电压2u3比: 2112uRm=+（ 无量纲） ，又称为电压放大系数。该电路是一个同相比例放大器，其输入和输出端有公共接地点，这种连接方式称为共地连接。R1R2iiau1 u12u( a ) 电压控制电压源( b ) V C V S 电路模型1b图 6-2 用运算放大器

6、实现的 VCVS 电路电压控制电流源（VCCS） ，如图 6-3（a）所示。( a ) 电压控制电流源( b ) V C C S 电路模型RRLiSi1uba2u11gu图 6-3 用运算放大器实现的 VCCS 电路电路中运算放大器的输出电流为： 1asRui=即 只受运算放大器输入电压 的控制，与负载电阻 无关。图 6-3（b）是它的电路s 1uLR模型。比例系数为： , 具有电导的量纲，称为转移电导。图 6-3（a ）电路1sigR=g中，输入、输出无公共接地点，这种联接方式称为浮地联接。电流控制电压源（CCVS） ，如图 6-4（a）所示。4由于运算放大器的“+”端接地，即 ，所以“-

7、”端电压 也为零。在这种情0bu=au况下，运算放大器的“-”端称为 “虚地点” 。显然,流过电阻 的电流即为网络输入端口R电流 。运算放大器的输出电压 ,它受电流 所控制。图 6-4（b）是它的电路模1i 21iR-1i型。其比例系数为: 21uri=-具有电阻的量纲，称为转移电阻，联接方式为共地联接。r( b ) C C V S 电路模型1i1ri1iR( a ) 电流控制电压源2uau 2ub图 6-4 用运算放大器实现的 CCVS 电路电流控制电流源（CCCS） ，如图 6-5（a）电路所示。由于运算放大器的同相输入端“+”接地，根据“虚短路” 、 “虚断路”特性可知，“-”端为虚地，

8、电路中 a 点的电压为：又： 所以：1212aRauii=- 1212Rauii=-即输出电流 受网络输入端口电流 的控制，与负载电阻 无关。图 6-5（b）是它的电i1i LR路模型，其电流比为： ， 无量纲，又称为电流放大系数。这个电路实际212iRa=+a上起着电流放大的作用，联接方式为浮地联接。5RL( a ) 电流控制电流源 R1R2au21iii( b ) C C C S 电路模型1i1a i图 6-5 用运算放大器实现的 CCCS 电路三、实验内容及步骤用受控源实验板测试电压控制电压源、电压控制电流源、电流控制电压源和电流控制电流源这四种基本线性受控源的特性。1 给有源器件运算放

9、大器提供工作电源的接线方法：可调直流稳压稳流电流+ 1 5 V- 1 5 V+ 5 V4 . 7 K R5 V( a )( b )U1图 6-6 实现电源15V 和 1.5V 的接线图接线前，先将直流稳压电源的两路可调输出电压分别调至 15V，然后关断其电源开关，按图 6-6（a）接线。可得到+15V、-15V 、地线三组电源线，分别接入受控源实验板相应的位置上。 给受控源实验电路提供直流电源激励（输入）的接线方法：用直流稳压电源的固定+5V 输出端和电阻器实验板上的电位器组成一个分压电路，如图 6-6(b) ，可调电压 U1 作为受控源实验电路的激励电源。1. 测试电压控制电压源（VCVS）

10、和电压控制电流源（VCCS）的特性 用受控源实验板中的第一个电路如图 6-7 所示。 先不接入电源 ，将运算放大器1“+”端对地短路，然后接通运算放大器供电电源，这时如果 ， ，则20USI m AR21 k 5 k I sR1( RL)U2U16说明运放工作正常。 拆除步骤 中的短路线，接入电源 ，将 调为 1K，按表 6-1 给1U1R出的 值，逐一测量 及 值，并记录sI1u在表 6-1 中。图 6-7 电压控制电压源和电压控制电流源表 6-1 = 1K1R给定值 U（V） 0 0.5 1 1.5 2 2.5测量值2(V)计算值VCVS理论值测量值sI(mA)计算值g (mS)VCCS理

11、论值g (mS) 保持 为 1.5V，按表 6-2 所给阻值改变 （即 ）,分别测量出 及 值，1U1RL2UsI7并记录在表 6-2 中。表 6-2 = 1.5V1U给定值 R1 (k)1 2 3 4 5测量值 （V2）计算值 VCVS理论值测量值 （mASI）计算值 (mS)gVCCS理论值 (mS)2. 测试电流控制电压源（CCVS）的特性用受控源实验板中的第二个电路如图6-8 所示。按图 6-8 接线，并将给运放提供工作电压的那组电源线从第一个电路移到第二个电路。 保持 为 1.5V，将 调为 1K，SUR按表 6-3 所给出的 值，逐一测量出及1 2U图 6-8 电流控制电压源值，并

12、记录在表 6-3 中。表 6-3 = 1K =1.5V RS给定值 (K)11 2 3 4 5(mA)1ICCVS测量值(V)2UR5 k R1U25 k I1m A8计算值 (K)r理论值 (K)保持 为 1.5V，将 调为 1K，按表 6-4 所给出的 值，逐一测量出 及 ，SU1RR1I2U并记录在表 6-4 中。表 6-4 = 1K = 1.5V1WS给定值 (K)R1 2 3 4 5(mA)1I测量值(V)2U计算值 (K)rCCVS理论值 (K)3. 测试电流控制电流源（CCCS）的特性用受控源实验板中的第三个电路如图6-9 所示。接线步骤同 2。 保持输入电压 为 1.5V，将S

13、U1R调为 3K，按表 6-5 所给出的 值，逐L一测量出 及 值，并记录在表 6-5 中。1I2图 6-9 电流控制电流源表 6-5 = 3K = 1.5V1RSUR L1 k U s m AR 1 I 14 . 7 k 4 . 7 k 1 k I 2R 2 R 3m A R 29给定值 (K)LR 0 500 2K 3K(mA)1ICCCS 测量值(mA)2表 6-6 = 1K = 1.5VLRWSU给定值 (K)13 2.5 2 1.5 1(mA)1ICCCS 测量值(mA)2 保持输入电压 为 1.5V，将 调为 1K，然后按表 6-6 所给出 的值，逐一SULR1R测量出 和 值。1

14、I2四、注意事项 运算放大器必须外接15V、地线这三组工作电压才能正常工作。接线时极性不能接错，检查接线无误后才能打开直流稳压电源的开关。 更换受控源电路前，首先要关掉直流稳压电源的开关，然后再换接电路。 实验中，受控源中的运算放大器输出端不能与地端短接。 受控源输入电压保持 1.5V 不变是指每改变一次电阻值都要监测受控源的输入电压是否是 1.5V，如有变化，要调至 1.5V。五、预习与思考 学习运算放大器及受控源的有关理论知识。 受控源与独立电源的区别是什么？根据所给实验电路，将计算出的理论值填入各个表中。图 6-10 所示运算放大器工作在线性区，试判断电路中 是否等于 ，为什么？（ 、1

15、I2IE 1 K 1 K E1E2I1I2US2 VIaIb10为运放供电电源） 。E六、实验报告要求 整理各组实验数据，由各组数据可得到什么结论？将实测的参数与理论值进行比较。图 6-10 根据表 6-3 和表 6-4 的测试数据，说明电压控制电流源的受控特性是什么?负载特性是什么？ 回答：复习与思考中题 2 和题 3。七、实验设备 DF1731SB 可调直流稳压、稳流电源（三路） 一台； HG1943A 型直流数字电流表 一台； DT9205 型数字万用表 一块； 受控源实验板 TX-LN0533 32 一块； 电阻器实验板 TX-LN0533 08 一块； 电流测试插孔板及测试线 TX-LN0533 41 一套； 导线若干。