运算放大器的线性应用

一、实验目的

研究由集成运放组成的比例、加法、减法等基本运算电路的功能。

二、实验内容

在Multisim软件平台上，搭建集成运算放大电路，调用函数信号发生器及示波器测试输入输出波形。

三、实验原理及说明

集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，其内部电路的结构如图5－1所示。

图1  运算放大器内部电路的结构

输入级：通常由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用其电路的对称性可提高整个电路的共模抑制比。输入级的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

电压放大级：为了提高放大器的电压增益，由一级或多级放大电路组成。

输出级：通常由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

偏置电路：一般由各种恒流源电路组成，为器件内多级放大器的各级设置合适的工作点。

辅助环节：电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。

理想运算放大器的放大倍数     ，输入电阻     ，输出电阻     。当其工作在线性区，具有     虚短和     虚断。

1、反相比例运算电路

电路如图2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，在同相端应接入平衡电阻R2=R1//Rf。

图2  反相比例运算电路

2、同相比例运算

电路如图3所示，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3  同相比例运算电路

3、反相加法电路

电路如图4，输出电压与输入电压之间的关系为    

通过该电路可实现信号υI1和υI2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。

图4 反向加法电路

四、实验设备

一台安装Multisim的PC机。

五、实验方法

1、双击鼠标左键，打开     软件。进入编辑界面，如图5所示。

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图5 Multisim编辑界面图

2、连接实验电路，接通±12V电源。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，得出反相比例运算电路输入输出关系，如图6所示。

图6  反相比例运算电路仿真

3、连接实验电路，实验步骤同上，得出同相比例运算电路输入输出关系，如图7所示。

图7  反相比例运算电路仿真

4、连接实验电路。输入信号采用两通道函数信号发生器，输入正弦波，实验时要注意选择合适的振幅幅度以确保集成运放工作在线性区。示波器测量输入电压Ui1、Ui2及输出电压Uo的峰峰值。（或选择交流电压表测量）

图8  反相比例运算电路仿真