實驗一運算放大器的基本應用
一、實驗目的：
1、 熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的設計方法；
2、 熟練掌握運算放大電路的故障檢查和排除方法，以及增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、頻寬的測量方法；
3、 了解運算放大器的主要直流引數（輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入失調電流、溫度漂移、共模抑制比，開環差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻等）、交流引數（增益頻寬積、轉換速率等）和極限引數（最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓、最大輸出電流、最大電源電壓等）的基本概念；
4、 了解運放調零和相位補償的基本概念；
5、 掌握利用運算放大器設計各種運算功能電路的方法及實驗測量技能。
二、預習思考：
1、 查閱741運放的資料手冊，自擬**記錄相關的直流引數、交流引數和極限引數，解釋引數含義。
2、 設計乙個反相比例放大器，要求：|**|=10，ri>10kω，將設計過程記錄在預習報告上；
（1） 原理圖
（2） 引數選擇計算
電源電壓±15v，r1=10kω，rf=100 kω，rl＝100 kω，rp＝10k//100kω。
|au|=10
（3） **結果
輸入正弦波峰峰值為1v，輸出余弦波峰峰值為10v，反相放大10倍。
3、 設計乙個電路滿足運算關係uo= -2ui1 + 3ui2
（1）原理圖
（2）引數選擇計算
電源電壓±15v，r1=10kω，r2=10 kω，rf＝20 kω。
uo= -2ui1 + 3ui2
（3）**結果
ui1為1khz、5v的方波訊號，ui2接入5khz，0.1v的正弦訊號，得到如圖所示波形。
三、實驗內容：
1、基礎實驗：
（1）反相輸入比例運算電路
(i) 圖1.3中電源電壓±15v，r1=10kω，rf=100 kω，rl＝100 kω，rp＝10k//100kω。按圖連線電路，輸入直流訊號ui分別為－2v、－0.
5v、0.5v、2v，用萬用表測量對應不同ui時的uo值，列表計算au並和理論值相比較。其中ui通過電阻分壓電路產生。
實驗結果分析：
因為運放的電源電壓是±15v，而且實際運放存在截止電壓，運放輸出的放大電壓不會超過±15v，而設計的反相輸入比例放大電路的增益au為10，當輸入電壓為±0.5v時，放大10倍的電壓小於±15v，所以能夠達到放大倍數，測量所得的au值和理論值很接近，而當輸入電壓為±2v時，若是放大10倍，輸出電壓應為±20v，但電源電壓只有±15v，所以測量值和理論值不符。
(ii) ui輸入0.2v、 1khz的正弦交流訊號，在雙蹤示波器上觀察並記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測量交流電壓增益，並和理論值相比較。注意此時不需要接電阻分壓電路。
（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）交流反相放大電路實驗測量資料
交流反相放大電路實驗測量資料
實驗結果分析：
當輸入波形為正弦波時，輸出反相波形為余弦波，輸入電壓為0.2v，可以放大十倍，所以測量值和理論值相同。
(iii) 輸入訊號頻率為1khz的正弦交流訊號，增加輸入訊號的幅度，測量最大不失真輸出電壓值。重加負載（減小負載電阻rl），使rl＝220ω，測量最大不失真輸出電壓，並和rl＝100 kω資料進行比較，分析資料不同的原因。（提示：
考慮運算放大器的最大輸出電流）
實驗結果分析：
當輸入訊號頻率為1khz的正弦交流訊號時，增加輸入訊號的幅度，因為運放的電源電壓為±15v，所以存在最大截止電壓，輸出電壓不不會超過±15v，並且一般比15v小。當負載不同時，運放的最大不失真電壓最大不同，這是因為運放有最大輸出電流，當輸出電流達到最大輸出電流時，運放的輸出電流不再增加，因為所帶負載不一樣，所以輸出電壓也不同，負載阻值較小，則輸出電壓也較小。
(iv) 用示波器x-y方式，測量電路的傳輸特性曲線，計算傳輸特性的斜率和轉折點值。
（a）傳輸特性曲線圖（請在圖中標出斜率和轉折點值）
（b）實驗結果分析：
通過示波器x-y方式，可以看出運放存在最大輸出電壓，且最大輸出電壓不會超過電源電壓，在運放的線性工作區，通過計算斜率，可以知道運放的電壓增益。斜率為-9.792，和理論值-10很接近。
(v) 電源電壓改為±12v，重複(iii)、(iv)，並對實驗結果結果進行分析比較。
（a）自擬**記錄資料
（b) 實驗結果分析：
將電源電壓改為±12v，所得實驗結果基本相同，只不過運放的最大不失真電壓隨著電源電壓的減小而減小了。當改變負載的阻值後，運放的最大不失真電壓同樣發生變化，這是由於運放有最大輸出電流。運放的電壓增益的測量值和理論值也相差不大。
(vi) 保持ui＝0.1v不變，改變輸入訊號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fh並記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，並做簡單分析。
（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）（c）實驗結果分析：
當輸入訊號的幅度不變，改變訊號的頻率時，隨著頻率的增大，輸出的正弦波逐漸出現了失真現象，此時的上限頻率為30khz，測量所得相位差為198.9 o ，略大於180 o 。當訊號頻率為上限頻率時，電壓增益會減小，同時輸入輸出的訊號相位也有變化。
(vii) 將輸入正弦交流訊號頻率調到前面測得的fh，逐步增加輸入訊號幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），記錄該點的輸入、輸出電壓值，根據轉換速率的定義對此進行計算和分析，並和手冊上的轉換速率值進行比較。
（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）（c）實驗結果分析：
將輸入正弦交流訊號頻率調到前面測得的fh，逐步增加輸入訊號幅度，觀察輸出波形開始失真變為三角波。741資料手冊的轉換速率為0.5v/us，測量值為0.
52v/us，實驗結果與理論值相近。
(viii) 輸入訊號改為占空比為50%的雙極性方波訊號，調整訊號頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點輸出電壓和頻率值，根據轉換速率的定義對此進行計算和分析（這是較常用的測量轉換速率的方法）。
（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）（c）實驗結果分析：
當輸入訊號頻率較高時，輸出訊號的幅度較大時，運放轉換速率會變大。
(ix) rf改為10 kω，自己計算rp的阻值，重複（vi）（vii）。列表比較前後兩組資料的差別，從反相比例放大器增益計算、增益頻寬積等角度對之進行分析。並總結在高頻應用中該如何綜合考慮增益頻寬積和轉換速率對電路效能的影響。
重複（vi）： 保持vi＝0.2v不變，改變輸入訊號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fh並記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，並做簡單分析。
（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）此時rp5 k
（c）實驗結果分析：
運放的增益與頻寬之積為常數，增益越大，頻寬越小。將rf改為10 kω，增益變為1，頻寬增大，即上限頻率變大。
重複（vii）：
（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖
（b）（c）實驗結果分析：
741轉換速率的理論值為0.5v/us，測量值為0.53v/us，實驗結果與理論值相近。
（d）總結在高頻應用中該如何綜合考慮增益頻寬積和轉換速率對電路效能的影響：
在高頻應用中，要根據設計中的增益和上限頻率計算出增益頻寬積要求，然後根據電壓幅度和上限頻率的要求計算運算放大器的轉換速率。
（2）設計電路滿足運算關係uo=-2ui1+3ui2，ui1接入方波訊號，方波訊號從示波器的校準訊號獲取（模擬示波器ui1為1khz、1v的方波訊號，數字示波器ui1為1khz、5v的方波訊號），ui2接入5khz，0.1v的正弦訊號，用示波器觀察輸出電壓uo的波形，畫出波形圖並與理論值比較。實驗中如波形不穩定，可微調ui2的頻率。
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