集成运放电路(国开 集成运放的线性运算电路）
集成运放电路(国开 集成运放的线性运算电路）
集成运放的线性运算电路
一、实验目的：
1．掌握集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路的功能 。
2．了解集成运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题 。
3．掌握在放大电路中引入负反馈的方法 。
二、实验内容
1．实现两个信号的反相加法运算 。
2．实现同相比例运算 。
3．用减法器实现两信号的减法运算 。
4．实现积分运算 。
5．用积分电路将方波转换为三角波 。
三、实验准备
1．复习教材中有关集成运放的线性应用部分 。
2．拟定实验任务所要求的各个运算电路，列出各电路的运算表达式 。
3．拟定每项实验任务的测试步骤，选定输入测试信号S的类型（直流或交流）、幅度和频率范围 。
4．拟定实验中所需仪器和元件 。
5．在图9.30所示积分运算电路中，当选择I＝0.2V时，若用示波器观察O（t）的变化轨迹，并假定扫速开关置于“1s/div”，Y轴灵敏度开关置于“2V/div”，光点一开始位于屏幕左上角，当开关S2由闭合转为打开后，电容即被充电 。试分析并画出O随时间变化的轨迹 。
四、实验原理与说明
由集成运放、电阻和电容等器件可构成比例、加减、积分、微分等模拟运算电路 。在这些应用中，须确保集成运放工作在线性放大区，分析时可将其视为理想器件，从而得出输入输出间的运算表达式 。下面介绍几种常用的运算电路：
1．反相加法运算
电路如图9.27所示，其输入与输出之间的函数关系为：
图9.27 反相加法运算电路
通过该电路可实现信号I1和I2的反相加法运算 。为了消除运放输入偏置电流及其漂移造成的运算误差，须在运放同相端接入平衡电阻R3，其阻值应与运放反相端的外接等效电阻相等，即要求R3= Rl∥R2∥Rf 。
实验时应注意：
（1）为了提高运算精度，首先应对输出直流电位进行调零，即保证在零输入时运放输出为零 。
（2）输入信号采用交流或直流均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频率响应和输出幅度的限制 。
（3）为防止出现自激振荡，应用示波器监视输出电压波形 。
2．同相比例运算
图9.28所示电路为同相比例运算电路，其特点是输入电阻比较大，输入与输出电压之间的函数关系为：
电阻R2的接入同样是为了消除运放输入偏置电流的影响，要求 R2=R1∥Rf 。实验注意事项同前 。
图9.28 同相比例运输电路
3．减法器（差分放大电路）
图9.29所示电路为减法器电路 。为了消除运放输入偏置电流的影响，要求R1=R2、Rf=R3 。该电路输入与输出之间的函数关系为：
实验注意事项同前 。
图9.29 减法器
4．积分运算电路
积分运算电路如图9.30所示 。在进行积分运算之前，首先应对运放输出调零 。为了便于调节，将图中S1闭合，即通过电阻R2的负反馈作用实现调零 。但在完成调零后，须将S1打开，以免因R2的接入而造成积分误差 。S2的设置一方面为积分电容提供放电通路，将其闭合即可实现积分电容初始电压vC(0)=0；另一方面，可控制积分起始点，即在加入信号vI后，只要S2一打开，电容就被恒流充电，电路也就开始进行积分运算 。
图9.30 积分运算电路
由图可知：
式中，
。若输入0.2V的直流电压，则：
此时，电路输出vO与时间t成线性关系，vO随时间变化的轨迹可通过示波器直接观察 。具体做法是先将光点移至屏幕左上角作为坐标原点，Ｙ轴输入耦合选用“直接耦合”，扫速开关和Y轴灵敏度开关均置于适当位置，触发方式采用“常态触发” 。此时若将S2打开，即可看到光点随时间移动的轨迹，由此可分析vO与时间t的关系 。
5．用积分电路将方波转换为三角波
电路如图9.31所示 。图中，电阻R2的接入是为了抑制由IIO和VIO所造成的积分漂移，从而稳定运放的输出 。
图9.31 将方波转换为三角波
由电路可得下列运算关系：
式中，
。
当t<<2时，有
所以，
在t<<2（2=R2C）的条件下，若vI为常数，则vO与t将近似成线性关系 。因此，当vI为方波信号并满足Tp<<2时（Tp为方波高电平宽度），则vO为三角波，且方波的周期愈小，三角波的线性度愈好，但三角波的幅度将随之减小 。
实验时要求方波的周期可按TP≈2、TP<<2和 TP>>2三种情况来选取，分别用示波器观察输出和输入电压波形，记录输出电压波形的幅度和线性情况 。
五、计算机辅助设计
按下列要求设计运算电路，并对电路进行仿真分析 。其中运放可选A741 。
1．用运放实现反相加法运算，要求
。输入信号如图9.32所示，仿真分析输出电压波形 。其中三角波可采用分段线性信号源VPWL元件，VPWL元件在使用时只需设置信号转折点的时间和幅值即可；方波信号可以选择VPULSE元件，也可以选择VPWL元件 。
图9.32 加法器和减法器的输入信号
2．用运放实现同相比例放大器，要求
。在输入端加1V直流电压，设置瞬态分析，仿真分析输出电压波形 。
3．用运放实现减法器，要求
。输入信号如图9.32所示，仿真分析输出电压波形 。
4．用运放实现积分器，要求
。在输入端分别加直流信号（幅值为1V）、正弦信号（幅值为10V、频率为10Hz）和方波信号（峰峰值为10V、频率为10Hz），设置瞬态分析，仿真分析输出电压波形 。
5．仿真分析图9.31所示电路，将方波转换为三角波 。要求按TP=2、TP=0.12和 TP=102三种情况进行仿真分析，并观察输出电压波形的幅度和线性度 。
六、实验报告：
1．整理实验数据和结果，画出波形图（注意画出波形间的相对关系、标明周期和幅度） 。
2．将实测数据与理论计算值相比较，并分析产生误差的原因 。
3．记录并分析实验过程中出现的问题和现象 。
4．问题讨论：
（1）若输入信号与集成运放的同相端相连，当信号正向增大时，运放的输出是正还是负？若输入信号与运放的反相端相连，当信号负向增大时，运放的输出是正还是负？
（2）集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路，在没有输入信号时，输出端的静态电压应该是多少？
（3）在图9.27所示反相加法运算电路中，如果I1和I2均采用直流信号，并且选定I2＝－6V 。当考虑到集成运放的最大输出幅度（设为12V）时，则I1的取值范围为多大？ 。
【集成运放电路(国开 集成运放的线性运算电路）】（4）若要将方波变换成三角波，可选用哪一种运算电路？
文章插图
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