电路实验 运放电路设计
电路综合实验
班 级 名：应用物理学1401班 作 者：U201410186 赵润晓 同组成员：U201410187 王羽霄 实验时间：2016年11月23日
摘要：本实验在回顾复数研究正弦交流电路的基础上，运用集成运算放大器设计了简单的加减法电路，微积分电路和信号发生电路。研究了反馈调节对电路的影响。 关键词：带通滤波器 集成运算放大器 模拟电子电路
一、引言
【实验目的及原理】
1. 实验目的。
① 掌握信号发生电路的工作原理和调试方法。 ② 利用电阻、电容和电感设计并制作电路滤波器。 ③ 了解集成运算放大器主要参数及测试方法。
④ 掌握运算放大器组成基本运算电路的原理和调试方法。 2. 实验原理。
① 基本线性电子元器件
电阻，电容，电感是三种常用基本的电子元件，RLC 交流电路是电路理论中最基本的物理模型。它的分析方法，尤其是复数法描述交流电路是电磁学中重要的知识点。
简单的无源滤波器就由这三种元器件构成。 ② 集成运放电路主要特征和技术指标
集成运放电路由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟电路，它具有增益大，输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比低的优点。在实际集成运放电路中，输入失调电压U IO ，输入失调电流I IO ，开环差模电压放大倍数A od 和共模抑制比K CMR 是重要的运放参数。
由于运放内部的参数不对成等原因，导致零输入情况下输出电压不为零。为使输出电压为零，额外在输入端加上的电压即输入失调电压。因为集成运发增益大，所以不能直接测量输入失调电压，而应当采用负反馈法放大这一电压。图1即时通过负反馈法测试输入失调电压的电路图。这时，有
U IO =
R U O
R 1+R f
R
图1 输入失调电压，输入失调电流测试电路
为了消除输入失调电压，有的运放设有调零端，可以外接电阻进行调零。
输入失调电流是，在输入信号为零时，运放两个输入端输入电流的差值。其大小反映了运放内部差分输入级中两个三极管基极静态电流的失配程度。当集成运算放大器的输入端外接电阻比较大时，输入失调电流及其温漂是造成运放误差的主要原因。测试输入失调电流的大小同样由图1所示电路图完成。
开环差模电压放大倍数是运放在没有反馈时电压放大倍数，一般的集成运放这个指标都在几千左右。
R 100k
O
图2 开环差模电压放大倍数测试电路
共模抑制比也是运放的重要参数，它集中反映了运放对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力。一般值在几十dB 左右。
图3 共模抑制比测试电路
③ 运放构成的基本运算电路
运用模电知识，可以由负反馈设计加法，减法，积分，微分电路。如果只用代数的方法，需要运用微积分算符处理积分，微分电路，但是，如果运通拉普拉斯变化，各种电路的处理方法相同。
同相反馈电路：Av =1+反相反馈电路：Av =−
Z2Z1
Z2Z1
1
dV
1
t
其中，在拉普拉斯变换下，电容C →sC，sV →dtsV→∫0Vdt ④ 正弦发生电路
为了让运放连续地输出稳定的正弦信号，需要将输出信号重新返送到输入端，这需要一个带通选频的正反馈过程，这样在一次次滤过其他的信号后，我们需要的正弦信号被放大的出来。同时，为了防止放大过大导致失真，需要引入负反馈，从而稳定输出波形。稳定是，输出正弦信号频率为f 0=(2πRC ) 。
1
2
图4 利用二极管稳幅的正弦波振荡电路
二、实验过程
【实验内容】
1. 2. 3. 4. 5.
【实验仪器和方法】
①实验仪器
UA741CP 集成运算放大器，各类电阻，电容，电感。以及直流稳压电源，信号发生器，示波器。 ②实验方法：
1. 熟悉面包板的结构，初步了解实验室提供的元件种类及参数。
2. 设计一个中心频率在100kHz 附近的带通滤波器；将此滤波器在测试面包板上组装出来，测量其传递函数。比较不同电阻对实验结果的影响。
3. 测试运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、开环差模电压放大倍数以及共模抑制比。
4. 设计连接一个电路，使其输出为U O =0.5U i 1+0.5U i 2-U i 3，分别输入5组U i 1、U i 2及
设计、组装并测试中心频率在100kHz 附近的带通滤波器（band-pass filter）； 测量运算放大器的几个主要特征参数和技术指标； 设计连接一个加减法混合运算电路； 设计并连接一个积分和微分运算电路。
设计一个正弦波发生电路，连线后接入示波器，与设计频率、振幅比较。
U i 3值，验证其与U O 的关系并分析误差。
5. 连接一个积分运算电路，输入f =1kHz 方波信号，观察并记录输入、输出波形。在不同的输入频率下比较连接和不连接R f 有何不同，记录并分析观察到的现象。
6. 连接一个微分运算电路，分别输入f =1kHz 方波、三角波信号，观察并记录输入、输出波形。在不同的频率下，分别移去R 和C f ，观察波形的变化。
7. 设计一个RC 正弦波电路。连线后接入示波器，画出调好的波形图，计算其频率与振幅，并与你的设计频率、振幅比较。
【数据/结果的分析和讨论】
1. 设计带通滤波器
利用22mH 的电感和三个101，一个102电容，设计带通滤波器。计算可知理论中心频率为94KHz ，其实际频率响应如图5所示。改变电阻的大小，通带的宽度发生变化。
图5 带通滤波器频率响应
2. 运放输入失调电压测量
按照测量输入失调电压的电路图连接电路，闭合开关K1,K2，测得输出电压Uo 为57mV 。易得输入失调电压U IO ≈560μV 。 3. 运放输入失调电流测量
测量运放输入失调电流的电路图和测量失调电压相同，打开开关和闭合开关，依次记录输出电压大小。可以算得输入失调电流I IO ≈9.31nA 。 4. 开环差模电压放大倍数测量
在负反馈下，让集成运放的增益成倍减少，同时利用反馈指数，易算得开环差模电压放大倍数A od ≈3787.5。 5. 共模抑制比
分别测量运放的差模放大倍数和共模放大倍数，可以得到共模抑制比K CMR ≈6.8dB 。
6. 加减法混合电路
设计电路完成U O =0.5U i 1+0.5U i 2-U i 3功能，电路图如下。在面包板上连接电路，改变输入电压的大小，记录如图。
图6 加减法混合电路图
表1 加减法混合电路实验数据
可以看到，输出电压的理论值和实际值符合较好。 7. 积分电路
积分电路可以实现对输入信号的积分运算，在模拟电路中有着重要作用。设计电路如图7所示。输入1KHz 的方波信号，可以看到输出信号在示波器上显示出三角波，如图8所示。值得注意的是，图像不是标准的三角波，这是因为直流稳压电源实际输出的直流有70KHz 左右的纹波，改变示波器的扫描速度，则可以看到方波信号上叠加了这一小纹波。去掉反馈电阻Rf 后，输出几乎没有变化。这是因为Rf 可以用来避免增益过大导致截至失真。
图7积分电路图
图8 方波信号积分后图像
8. 微分电路
和积分电路类似，交换反馈器件的位置，积分电路就能完成微分运算。设计电路如图9所示。在输入1kHz 的方波和三角波信号后，可以观察到（如图10图11）方波信号和正负脉冲信号。值得注意的是，三角波信号微分后的方波信号比较难找到，因为直流电源本身纹波的影响，自动设置的情况下只能找到高频率的信号。R 电阻可以限制高频区闭环增益的过度增大，反馈区的Cf 可以抑制自激振荡。以方波信号为例，可以看到，去除R
后脉冲信号消
失，取而代之的是按照方波频率每1kHz 出现一次剧烈的信号变化。移除Cf 后信号波形无太大变化。
图9 微分电路图
图10 图11 三角波和方波信号积分运算波形
图12 图13 方波信号微分电路去除R 和Cf 后波形
9. RC 正弦发生电路
利用RC 串并联作为反馈和选频网络，可以实现正弦信号的发生装置。实际电路设计如图14所示，理论频率为7.96kHz 。设置滑动变阻器，可以用来改变负反馈升读和调节波形。同时在R4两段并联连个反向二极管实现稳幅。在实际试验中，因为直流电源纹波的干扰，使得正弦波形不太完好，实际频率只用4.92 kHz。调节滑动变阻器，波形不变，峰峰值发生变化。
图14 RC正弦发生电路图
图15 发生正弦波形
【实验遇到的问题及解决的方法】
实验中因为疏忽等原因发生了几起元器件烧焦事故，原因有2点： 1. 面包版插孔密集，很容易插错位置。
2. 线路复杂，很难全局把握。尤其当电路中多处需要接地时候。
我们决定，每完成一组试验后，不管接下来的实验和这次试验的电路有多相似，都把放大器的输入输出三端清空，这样防止出现线路复杂看不清头绪的问题。其次，每次连接电路只由一人负责，完成连接后，另一个人再检查一遍。电路排查故障和重新调试需要花费大量的时间，在改变了实验操作流程后，实验效率大大提升。
三、实验小结
【体会或收获】
这次电路实验的主角是集成运算放大器，也是上学期模电的核心，在本学期可以做到这个实验，既复习了所学知识，也认识到了现实电路和理论的不同。同时，电路的设计和链接是一个复杂的，需要耐心的过程，在这次试验中，我认识到了小心仔细认真的重要性，更增强了团队协作的本领。
【实验建议】
实验所需的电子元器件众多，在实验开始前，应强调元器件的归位和重复使用的问题。
四、参考文献
华中科技大学物理学院实验教学中心，近代物理实验（I ），9-20，2016年10月