集成運算放大器組成的加法和積分等基本運算電路的功能

一、實驗目的

1、研究由集成運算放大器組成的比例、加法、減法和積分等基本運算電路的功能。

2、了解運算放大器在實際應用時應考慮的一些問題。

二、實驗原理

集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數的直接耦合多級放大電路。當外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負反饋電路時，可以靈活地實現各種特定的函數關系。

在線性應用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數等模擬運算電路。

1、理想運算放大器特性：

在大多數情況下，將運放視為理想運放，就是將運放的各項技術指標理想化，滿足下列條件的運算放大器稱為理想運放。

★開環電壓增益 A ud =∞

★輸入阻抗 r i =∞

★輸出阻抗 r o =0

★帶寬 f BW =∞

★失調與漂移均為零等。

2、理想運放在線性應用時的兩個重要特性：

（1）輸出電壓Uo與輸入電壓之間滿足關系式

U o ＝A ud （U + -U - ）

由于A ud =∞，而Uo為有限值，因此，U + -U - ≈0。即 U + ≈U- ，稱為“ 虛短 ”。

（2）由于r i =∞，故流進運放兩個輸入端的電流可視為零，即 I IB ＝0 ，稱為“ 虛斷 ”。這說明運放對其前級吸取電流極小。

上述兩個特性是分析理想運放應用電路的基本原則，可簡化運放電路的計算。

3、基本運算電路

（1）反相比例運算電路

電路如下圖所示。對于理想運放，該電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：

為了減小輸入級偏置電流引起的運算誤差，在同相輸入端應接入平衡電阻

R 2 ＝R 1 ~ // RF~

（2）同相比例運算電路

同相比例運算電路如下面（a）圖所示，它的輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：

當R 1 →∞時，U o ＝U i ，即得到如上面圖(b)所示的電壓跟隨器。圖中R 2 ＝R F ，用以減小漂移和起保護作用。一般RF取10KΩ， RF太小起不到保護作用，太大則影響跟隨性。

（3）反相加法電路

電路如下圖所示，輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：

（4）差動放大電路（減法運算電路）

對于下圖所示的減法運算電路，當R 1 ＝R 2 ，R 3 ＝RF時， 有如下關系式：

三、實驗設備與器件

1、±12V直流電源

2、函數信號發生器

3、交流毫伏表

4、直流電壓表

5、集成運算放大器μA741×1（如下圖所示），電阻器、電容器若干

四、實驗內容

注意： 實驗前要看清運放組件各管腳的位置；切忌正、負電源極性接反和輸出端短路，否則將會損壞集成塊。

調零： 對運放本身（主要是差分輸入級）的失調進行補償，保證運放閉環工作后，輸出值更精準，即輸入為0時，輸出也為0。

按下圖連接實驗電路，接通±12V電源，輸入端對地短路，進行調零和消振。

實驗步驟- 調電位器Rw，萬用表測輸出Uo=0

1、反相比例運算電路

按下圖連接實驗電路，在反相端輸入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信號，測量相應的Uo，并用示波器觀察uo和ui的相位關系，記入表6-1。

實驗步驟- 信號源us為1.414Vpp、1KHz正弦波，用示波器監測輸出波形ui、uo波形，用交流毫伏表測量ui、uo有效值

表6-1

2、同相比例運算電路

按下圖連接實驗電路，在反相端輸入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信號，測量相應的Uo，并用示波器觀察uo和ui的相位關系，步驟同上，記入表6-2。

實驗步驟- 信號源us為1.414Vpp、1KHz正弦波，用示波器監測輸出波形ui、uo波形，用交流毫伏表測量ui、uo有效值

表6-2

3、反相加法運算電路

按下圖連接實驗電路，調零和消振。實驗時要注意選擇合適的直流信號幅度以確保集成運放工作在線性區。用直流電壓表測量輸入電壓U i1 、Ui2及輸出電壓Uo，記入表6－3。

實驗步驟- 將可調直流電源A調為0.2V，可調直流電源B調為0.1V

實驗步驟- A路電源正端接U i1 =0.2V，B路電源正端接U i2 =0.1V，電源A、B負端接COM地，萬用表測量輸出Uo

實驗步驟- A路電源正端接U i1 =0.2V，B路電源負端接U i2 =-0.1V，電源A負端和B路正端接COM地，萬用表測量輸出Uo

其他輸入信號的測試過程同上，將數據填入下表。

表6-3

4、減法運算電路

按下圖連接實驗電路，調零和消振。采用直流輸入信號，實驗步驟同反向加法運算電路測試內容，記入表6－4。

實驗步驟- A路電源正端接U i1 =0.2V，B路電源正端接U i2 =0.1V，電源A、B負端接COM地，萬用表測量輸出Uo

實驗步驟- A路電源正端接U i1 =0.2V，B路電源負端接U i2 =-0.1V，電源A負端和B路正端接COM地，萬用表測量輸出Uo

其他輸入信號的測試過程同上，將數據填入下表。

表6-4

5、實驗內容--選作

電壓跟隨器及積分運算電路，實驗電路如下圖所示。