集成运算放大器组成的加法和积分等基本运算电路的功能

一、实验目的

1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验原理

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

1、理想运算放大器特性：

在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

★开环电压增益 A ud =∞

★输入阻抗 r i =∞

★输出阻抗 r o =0

★带宽 f BW =∞

★失调与漂移均为零等。

2、理想运放在线性应用时的两个重要特性：

（1）输出电压Uo与输入电压之间满足关系式

U o ＝A ud （U + -U - ）

由于A ud =∞，而Uo为有限值，因此，U + -U - ≈0。即 U + ≈U- ，称为“ 虚短 ”。

（2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即 I IB ＝0 ，称为“ 虚断 ”。这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3、基本运算电路

（1）反相比例运算电路

电路如下图所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：

为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻

R 2 ＝R 1 ~ // RF~

（2）同相比例运算电路

同相比例运算电路如下面（a）图所示，它的输出电压与输入电压之间的关系为：

当R 1 →∞时，U o ＝U i ，即得到如上面图(b)所示的电压跟随器。图中R 2 ＝R F ，用以减小漂移和起保护作用。一般RF取10KΩ， RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。

（3）反相加法电路

电路如下图所示，输出电压与输入电压之间的关系为：

（4）差动放大电路（减法运算电路）

对于下图所示的减法运算电路，当R 1 ＝R 2 ，R 3 ＝RF时， 有如下关系式：

三、实验设备与器件

1、±12V直流电源

2、函数信号发生器

3、交流毫伏表

4、直流电压表

5、集成运算放大器μA741×1（如下图所示），电阻器、电容器若干

四、实验内容

注意： 实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。

调零： 对运放本身（主要是差分输入级）的失调进行补偿，保证运放闭环工作后，输出值更精准，即输入为0时，输出也为0。

按下图连接实验电路，接通±12V电源，输入端对地短路，进行调零和消振。

实验步骤- 调电位器Rw，万用表测输出Uo=0

1、反相比例运算电路

按下图连接实验电路，在反相端输入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的Uo，并用示波器观察uo和ui的相位关系，记入表6-1。

实验步骤- 信号源us为1.414Vpp、1KHz正弦波，用示波器监测输出波形ui、uo波形，用交流毫伏表测量ui、uo有效值

表6-1

2、同相比例运算电路

按下图连接实验电路，在反相端输入f＝100Hz，Ui＝0.5V的正弦交流信号，测量相应的Uo，并用示波器观察uo和ui的相位关系，步骤同上，记入表6-2。

实验步骤- 信号源us为1.414Vpp、1KHz正弦波，用示波器监测输出波形ui、uo波形，用交流毫伏表测量ui、uo有效值

表6-2

3、反相加法运算电路

按下图连接实验电路，调零和消振。实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压U i1 、Ui2及输出电压Uo，记入表6－3。

实验步骤- 将可调直流电源A调为0.2V，可调直流电源B调为0.1V

实验步骤- A路电源正端接U i1 =0.2V，B路电源正端接U i2 =0.1V，电源A、B负端接COM地，万用表测量输出Uo

实验步骤- A路电源正端接U i1 =0.2V，B路电源负端接U i2 =-0.1V，电源A负端和B路正端接COM地，万用表测量输出Uo

其他输入信号的测试过程同上，将数据填入下表。

表6-3

4、减法运算电路

按下图连接实验电路，调零和消振。采用直流输入信号，实验步骤同反向加法运算电路测试内容，记入表6－4。

实验步骤- A路电源正端接U i1 =0.2V，B路电源正端接U i2 =0.1V，电源A、B负端接COM地，万用表测量输出Uo

实验步骤- A路电源正端接U i1 =0.2V，B路电源负端接U i2 =-0.1V，电源A负端和B路正端接COM地，万用表测量输出Uo

其他输入信号的测试过程同上，将数据填入下表。

表6-4

5、实验内容--选作

电压跟随器及积分运算电路，实验电路如下图所示。