集成运算放大器及应用

模拟电路实训

实训一　晶体管共射极单管放大电路测试

实训目标

1.知识目标

(1)进一步理解共射极放大电路的工作原理。

(2)掌握放大电路静态和动态时的性能指标与意义。

2.技能目标

(1)熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。

(2)学会放大器静态工作点的调试方法。

(3)学会放大器电压放大倍数、输入与输出电阻、最大不失真输出电压等参数的测试方法。

(4)学会通过观察现象看本质。

实训原理

图6-1-1为分压偏置单管放大器实验电路图(K1闭合)。它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号uo，从而实现电压放大。

图6-1-1　共射极单管放大器实验电路

在图6-1-1电路中，当流过偏置电阻RB1和RB2 的电流远大于晶体管T 的基极电流IB时(一般为5～10倍)，则它的静态工作点可用下式估算:

UCE=UCC-IC(RC+RE)

电压放大倍数

输入电阻

Ri=RB1//RB2//rBE

输出电阻

Ro≈RC

由于电子元器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据。在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。

放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。

1.放大器静态工作点的测量与调试

(1)静态工作点的测量

测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。实验中，为了避免断开集电极，一般采用测量电压UE或UC，然后算出IC的方法。例如，只要测出UE，即可用

IC≈算出IC(也可根据，由UC确定IC)，同时也能算出UBE=UB-UE，UCE=UC-UE。

为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。

(2)静态工作点的调试

放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC(或UCE)的调整与测试。

静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uo的负半周将被削底，如图6-1-2(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uo的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显)，如图6-1-2(b)所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui，检查输出电压uo的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。

(a)

(b)

图6-1-2　静态工作点对uo波形失真的影响

改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、RB2)都会引起静态工作点的变化，如图6-1-3所示。但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。

图6-1-3　电路参数对静态工作点的影响

最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是就相对信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。如要满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。

2.放大器动态指标测试

放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。

(1)电压放大倍数AV的测量

调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo，则

(2)输入电阻Ri的测量

为了测量放大器的输入电阻，按图6-1-4所示电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得

图6-1-4　输入、输出电阻测量电路

测量时应注意下列几点:

①由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压 UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR=US-Ui求出UR值。

②电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与Ri为同一数量级为好，本实训R=10 kΩ。

(3)输出电阻Ro的测量

按图6-1-4所示电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载 RL时的输出电压Uo和接入负载后的输出电压UL，根据

Uo

即可求出

RL

在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。

(4)最大不失真输出电压Uopp的测量(最大动态范围)

图6-1-5　静态工作点正常，
输入信号太大引起的失真

如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW(改变静态工作点)，用示波器观察uo，当输出波形同时出现削底和缩顶现象(如图6-1-5所示)时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出Uo(有效值)，则动态范围等于Uo。或用示波器直接读出Uopp来。

(5)放大器幅频特性的测量

放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图6-1-6所示，AVm为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的倍，即0.707AVm。所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带fBW=fH-fL 。

放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AV。为此，可采用前述测AV的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真。

(6)干扰和自激振荡的消除

图6-1-6　幅频特性曲线

图6-1-7　晶体三极管管脚排列

实训器材

模电实训箱;单管放大器电路模块;双踪示波器;交流毫伏表;万用电表。

实训器内容与步骤

实训电路模块如图6-1-8所示。按图6-1-1连接电路。

图6-1-8　单管放大器模块

各电子仪器可按图6-1-9所示方式与电路模块连接。为防止干扰，各仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。

图6-1-9　常用电子仪器连线图

1.调试静态工作点

接通直流电源前，先将RW调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零。接通+12 V电源、调节RW，使IC=2.0 mA(即UE=2.0 V)，用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值(测电阻需断开电源，开关K1亦断开)，将所得数据记入表6-1-1。

表6-1-1　IC=2 mA

2.测量电压放大倍数

在放大器输入端加入频率为1 kHz的正弦信号uS，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压Ui=10 mV，同时用示波器观察放大器输出电压uo的波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的Uo值，并用双踪示波器观察uo和ui的相位关系，记入表6-1-2。

表6-1-2　IC=2.0 mA　Ui=10 mV

3.观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置RC=2.4 kΩ，Rl=∞，Ui适量，调节RW，用示波器观察输出电压波形，在uo不失真的条件下，测量数组IC和UO的值，并将所得数据记入表6-1-3。

表6-1-3　RC=2.4 kΩ　 RL=∞　Ui=mV

测量IC时，要先将信号源输出旋钮旋至零(即使Ui=0)。

4.观察静态工作点对输出波形失真的影响

置RC=2.4 kΩ，RL=2.4 kΩ，ui=0，调节RW使IC=2.0 mA，测出UCE的值，再逐步加大输入信号，使输出电压uo 足够大但不失真。 然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE的值，将所得数据记入表6-1-4中。每次测IC和UCE 的值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。

表6-1-4　RC=2.4 kΩ　RL=∞　Ui=　mV

5.测量最大不失真输出电压

置RC=2.4 kΩ，RL=2.4 kΩ，按照实验原理所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，用示波器和交流毫伏表测量Uopp及Uo的值，并将所得数据记入表6-1-5。

表6-1-5　RC=2.4 k　RL=2.4 k

6.测量输入电阻和输出电阻

置RC=2.4 kΩ，RL=2.4 kΩ，IC=2.0 mA。输入f=1 kHz的正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出US，Ui和UL,并将所得数据记入表6-1-6。

保持Us不变，断开RL，测量输出电压Uo，记入表6-1-6。

表6-1-6　Ic=2 mA　Rc=2.4 kΩ　RL=2.4 kΩ

7.测量幅频特性

取IC=2.0 mA，RC=2.4 kΩ，RL=2.4 kΩ。 保持输入信号ui的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压Uo，并将所得数据记入表6-1-7。

表6-1-7　Ui=　　mV

为了信号源频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围，然后再仔细读数。

实训注意事项

在做电子线路实训时，有一定的实训方法、实训规律可循。

1.合理布线：布线的原则以直观、便于检查为宜。例如，电源的正极、负极和地可以用不同颜色的导线加以区分，一般正极用红色、负极用蓝色、地用黑色。低频接线时，尽量用短的导线，防止电路产生自激振荡。

2.检查线路：在连接完实训电路后，不要急于加电，要认真检查连线是否正确。防止出现诸如电源短路、地线未连接、导线未导通等问题。

3.通电调试：包括静态调试和动态调试。在调试前，应先观察电路有无异常，包括有无冒烟、异常气味、元器件是否发烫等。如果出现异常情况，应立即切断电源，排除故障后再加电。

4.正确使用仪器接地端：电路调试过程中，仪器的接地端需要正确连接，这是一个很重要的方面。否则将直接影响测量精度，甚至影响到测量结果的正确与否。其中，直流稳压电源的地即是电路的地端，直流稳压电源的“地”一般要与实验板的“地”连接起来。而直流稳压电源的地又是与机壳连接的，这就形成了一个完整的屏蔽系统，减少了外界信号的干扰。这就是常说的“共地”。示波器、函数信号发生器、晶体毫伏表的“地”也都应该和电路的“地”连接在一起。

思考题

1.列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较(取一组数据进行比较)，分析产生误差的原因。

2.总结RC、RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。

3.讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。

4.分析讨论在调试过程中出现的问题。

实训二　负反馈放大电路测试

实训目标

1.知识目标

(1)加深理解放大电路中引入负反馈的方法。

(2)研究电压串联负反馈对放大电路各项性能指标的影响。

2.技能目标

(1)学会测量并调整放大电路的静态工作点。

(2)熟悉放大电路各项技术指标的测试方法。

实训原理

由于晶体管的参数会随着环境温度改变而改变 ，不仅放大器的工作点 、放大倍数不稳定，还存在失真、干扰等问题。为了改善放大器的这些性能，常常在放大器中加入负反馈环节。

负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍数降低，但却能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等。因此，几乎所有的实用放大器都带有负反馈。

负反馈放大器有四种组态，即电压串联、电压并联、电流串联、电流并联。

图6-2-1　带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器

图6-2-1为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，当开关K2闭合时，在电路中通过Rf取样于输出电压uo并引回到输入端，加在晶体管T1的发射极上，在发射极电阻上形成反馈电压uf。根据反馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈。根据理论可知，这种负反馈会降低放大器的增益，但是能够提高放大器增益的稳定性，可以扩展放大器的通频带，还能够提高放大器输入阻抗，减小输出阻抗。

本实验以电压串联负反馈为例，分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。

1.主要性能指标如下：

(1)闭环电压放大倍数：

其中：AV=Uo/Ui,为基本放大器(无反馈)的电压放大倍数，即开环电压放大倍数。

1+AVFV为反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。

(2)反馈系数：

(3)输入电阻：

Rif=(1+AVFV)Ri。

其中：Ri为基本放大器的输入电阻。

(4)输出电阻：

其中：Ro为基本放大器的输出电阻；

AVo为基本放大器RL=∞时的电压放大倍数。

2.本实验还需要测量基本放大器的动态参数，怎样实现无反馈而得到基本放大器呢？不能简单地断开反馈支路，而是要去掉反馈作用，且还要考虑到基本放大器中反馈网络的影响(负载效应)。为此：

(1)在画基本放大器的输入回路时，因为是电压负反馈，所以可将负反馈放大器的输出端交流短路，即令uo=0，此时 Rf相当于并联在RF1上。

(2)在画基本放大器的输出回路时，由于输入端是串联负反馈，因此需将反馈放大器的输入端(T1 管的射极)开路，此时(Rf+RF1)相当于并接在输出端。可近似认为Rf并接在输出端。

根据上述规律，就可得到所要求的基本放大器,如图6-2-2所示。

图6-2-2　基本放大电路

实训器材

直流电源；函数信号发生器；双踪示波器；频率计；万用表；负反馈放大电路模块。

实训器内容与步骤

1.图6-2-3为阻容耦合电压串联负反馈放大电路模块，按图6-2-1所示连接好电路。

图6-2-3　阻容耦合电压串联负反馈放大电路模块

2.测量静态工作点

取Ucc=+12 V，Ui=0，用万用表(直流电压挡)分别测量第一级、第二级静态工作点的电压，并将所得数据记入表6-2-1。

3.测量基本放大器的各项性能指标

将实验电路按图6-2-2改接，即把Rf断开后分别并在RF1和RL上，其他连线不动。

(1)测量中频电压放大倍数AV、输入电阻Ri和输出电阻Ro。

①输入5 mV正弦波信号US，频率为1 kHz，用示波器检测输出波形uo，在uo不失真的情况下，测量US、Ui、UL(幅值)，并将所得数据记入表6-2-2。

②保持US不变，断开负载电阻RL(注意，Rf不要断开)，测量空载时的输出电压Uo，并将所得数据记入表6-2-2。

(2)测量通频带

接上RL，保持①中的US不变，然后增加和减小输入信号的频率，找出上、下限频率fH和fL，并将所得数据记入表6-2-3。

4.测量负反馈放大器的各项性能指标

将实验电路恢复为图6-2-2的负反馈放大电路。适当加大US(约10 mV)，在输出波形不失真的条件下，测量负反馈放大器的AVf、Rif和Rof，并将所得数据记入表6-2-2；测量fHf和fLf，并将所得数据记入表6-2-3。

5.观察负反馈对非线性失真的改善

(1)实验电路改接成基本放大器形式，在输入端加入f=1 kHz的正弦波信号，输出端接示波器，逐渐增大输入信号的幅度，使输出波形开始出现失真，记下此时的波形和输出电压的幅度。

(2)再将实验电路改接成负反馈放大器形式，增大输入信号幅度，使输出电压幅度的大小与(1)相同，观察加入负反馈后输出波形的变化。

表6-2-1　各级静态工作点

表6-2-2　动态信号

表6-2-3　通频带

思考题

1.将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较。(取β1=β2=100)

2.根据实训结果，总结电压串联负反馈对放大器性能的影响。

3.如输入信号存在失真，能否用负反馈来改善？

4.怎样把负反馈放大器改接成基本放大器？为什么要把Rf并接在输入和输出端？

实训三　RC正弦波振荡器调试

实训目标

1.知识目标

理解RC正弦波振荡器的振荡条件及电路组成。

2.技能目标

学会调试振荡器并能测量其输出信号。

实训原理

从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的、带选频网络的正反馈放大器。若用R、C元件组成选频网络，就称为RC振荡器，一般用来产生1 Hz～1 MHz的低频信号。

1.RC移相振荡器

电路如图6-3-1所示，选择R≫Ri。

图6-3-1　RC移相振荡器原理图

振荡频率:

起振条件:放大器A的电压放大倍数||>29

电路特点:简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。

频率范围:几赫～数十千赫。

2.RC串并联网络(文氏桥)振荡器

电路如图6-3-2所示。

振荡频率:

起振条件:||>3

电路特点:可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。

图6-3-2　RC串并联网络振荡器原理图

3.双T选频网络振荡器

电路如图6-3-3所示。

图6-3-3　双T选频网络振荡器原理图

振荡频率:

起振条件:R′<，||>1

电路特点:选频特性好，调频困难，适于产生单一频率的振荡。

本实训电路原理图如图6-3-4所示。其中两级共射极分立元件放大电路为基本放大器，RC串并联网络兼作选频网络和正反馈网络，Rf实现负反馈。

图6-3-4　RC正弦波振荡器电路原理图

实训器材

模拟电路实验箱;函数信号发生器;双踪示波器;毫伏表;万用表;RC正弦波振荡器模块;电阻、电容若干。

实训器内容与步骤

如图6-3-5所示为RC正弦波振荡器电路模块。

图6-3-5　RC串并联选频网络振荡器

1.按图6-3-4连接实验线路。测量基本放大电路静态工作点的电压，并将所得数据记入表6-3-1。

2.接通RC串并联网络，调节Rf并使电路起振，用示波器观测输出电压uo的波形，再细调Rf，得到满意的正弦信号，在表6-3-2中记录波形及其参数(测量振荡频率、周期)，并与计算值进行比较。

3.断开RC串并联网络，保持Rf不变，测量放大器静态工作点的电压及电压放大倍数。 测量放大倍数时，应在输入端施加一频率为1 kHz、幅度为15 mV左右的正弦信号，用毫伏表测量ui、uo 就可以计算出电路的放大倍数。将所得数据记入表6-3-3。

4.改变R或C值(如并联相同参数的电阻或电容)，观察振荡频率的变化情况。

5.RC串并联网络频率特性的观察：将RC串并联网络与放大器断开，将函数信号发生器的正弦信号注入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变，频率由低到高变化，RC串并联网络输出信号幅值与相位将随之变化。

表6-3-1　放大电路静态工作点测量(单位：V)

表6-3-2　频率测量(单位：Hz)

表6-3-3　电压放大倍数测量

思考题

1.Rf如何调节可使电路起振？电路实现等幅振荡的条件是什么？

2.由给定电路参数计算振荡频率，并与实测值比较，分析误差产生的原因。

实训四　差动放大器测试

实训目标

1.知识目标

加深理解差动放大器的性能及特点。

2.技能目标

学习差动放大器电路调试与主要性能指标测试的方法。

实训原理

图6-4-1所示是差动放大器的基本结构。它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器。调零电位器RP用来调节T1、T2管的静态工作点，使得输入信号Ui=0时，双端输出电压Uo=0。RE为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零点漂移，稳定静态工作点。

图6-4-1　差动放大电路

当开关K拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。

1.静态工作点的估算

典型电路

(认为UB1=UB2≈0)

恒流源电路

2.差模电压放大倍数和共模电压放大倍数

当差动放大器的射极电阻RE足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数Ad由输出端方式决定，而与输入方式无关。

双端输出:RE=∞，RP在中心位置时，

单端输出

当输入共模信号时，若为单端输出，则有

≈

若为双端输出，在理想情况下

实际上,由于元件不可能完全对称，因此Ac也不会绝对等于零。

3.共模抑制比KCMR

为了表征差动放大器对有用信号(差模信号)的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比。

 或KCMR=20 (dB)

差动放大器的输入信号可采用直流信号也可采用交流信号。本实验由函数信号发生器提供频率f=1 kHz的正弦信号作为输入信号。

实训器材

模电实验箱;函数信号发生器;双踪示波器;交流毫伏表;万用表;差动放大器模块;晶体三极管3DG6×3(或9011×3)(要求T1、T2管特性参数一致)。

实训器内容与步骤

1.典型差动放大器性能测试

图6-4-2所示为差动放大器电路模块。按图6-4-1连接电路，开关K拨向左边构成典型差动放大器。

图6-4-1　差动放大器电路模块

(1)测量静态工作点

①调节放大器零点

信号源不接入。将放大器输入端A、B与地短接，接通±12V直流电源，用直流电压表测量输出电压Uo，调节调零电位器RW，使Uo=0。 调节要仔细，力求准确。

②测量静态工作点

零点调好以后，用直流电压表测量T1、T2管各电极电位及射极电阻RE两端电压URE，记入表6-4-1。

表6-4-1

(2)测量差模电压放大倍数

断开直流电源，将函数信号发生器的输出端接放大器输入端A，地端接放大器输入端B,构成单端输入方式，调节输入信号为频率f=1 kHz的正弦信号，并使输出旋钮旋至零，用示波器监视输出端(集电极C1或C2与地之间)。

接通±12 V直流电源，逐渐增大输入电压Ui(约100 mV)，在输出波形无失真的情况下，用交流毫伏表测 Ui、UC1、UC2，记入表6-4-2中，并观察Ui、UC1、UC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。

(3)测量共模电压放大倍数

将放大器A、B短接，信号源接A端与地之间，构成共模输入方式，调节输入信号f=1 kHz，Ui=1 V，在输出电压无失真的情况下，测量UC1、UC2之值记入表6-4-2，并观察Ui、UC1、UC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。

表6-4-2　电压放大倍数测量

2.具有恒流源的差动放大电路性能测试

将图6-4-1电路中开关K拨向右边，构成具有恒流源的差动放大电路。重复上述内容(2)、(3)的步骤，并将所得数据记入表6-4-2。

3.整理实验数据，列表比较实验结果和理论估算值，分析产生误差的原因。

(1)静态工作点和差模电压放大倍数。

(2)典型差动放大电路单端输出时的CMRR实测值与理论值比较。

(3)典型差动放大电路单端输出时的CMRR实测值与具有恒流源的差动放大器CMRR实测值比较。

思考题

1.Ui、UC1和UC2之间的相位关系如何？

2.根据实验结果，总结电阻RE和恒流源的作用。

实训五　集成运算放大器及应用

实训目标

1.知识目标

(1)了解集成运算放大器组件的主要参数的定义和表示方法。

(2)了解集成运算放大器的基本使用方法和三种输入方式。

(3)研究集成运算放大器构成的比例、加法、减法、积分等运算电路的功能。

2.技能目标

(1)熟悉集成运放的引脚排列和简易测试。

(2)学会正确运用集成运算放大器构成基本运算电路及其测试方法。

实训原理

集成运算放大器简称集成运放，是一种集成化、高增益、直接耦合的多级放大器。它有两个输入端。根据输入电路的不同，有同相输入、反相输入和差动输入三种方式。集成运放在实际运用中，都必须用外接负反馈网络构成闭环放大，用以实现各种模拟运算。集成运算放大器作为一种通用电子器件，在放大、振荡、电压比较、模拟运算、有源滤波等各种电子电路中得到了广泛的应用。

集成运放品种繁多，可分为：通用型、低功耗型、高阻型、高精度型、高速型、宽带型、低噪声型、高压型、程控型、电流型、跨导型等等。常见的集成运算放大器封装有扁平式(SSOP)、双列直插式(DIP)、单列直插式(SIP)，如图6-5-1所示。其中双列直插式应用较多，μA741(或F007)即为DIP封装。

图6-5-1　常见集成运放的封装样式

集成运算放大器是一种线性集成电路，和其他半导体器件一样，它是用一些性能指标来衡量其质量的优劣。为了正确使用集成运放，就必须了解它的主要参数指标。集成运放组件的各项指标通常是由专用仪器进行测试的，这里介绍的是一种简易测试方法。

本实验采用的集成运放型号为μA741(或F007)，引脚排列如图6-5-2所示，它是八脚双列直插式组件，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①、⑤脚之间可接入一只几十千欧的电位器并将滑动触头接到负电源端，⑧脚为空脚。

1.A741主要指标测试

图6-5-2　μA741管脚图

图6-5-3　UOS、IOS测试电路

(1)输入失调电压UOS

理想运放组件，当输入信号为零时，其输出也为零。但是即使是最优质的集成组件，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零。这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。

输入失调电压UOS 是指输入信号为零时，输出端出现的电压折算到同相输入端的数值。

失调电压测试电路如图6-5-2所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出电压Uo1 即为输出失调电压，则输入失调电压

实际测出的Uo1可能为正，也可能为负，一般在1～5 mV，对于高质量的运放，UOS在1 mV以下。

测试中应注意：①将运放调零端开路;②要求电阻R1和R2，R3和RF的参数严格对称。

(2)输入失调电流IOS

输入失调电流IOS 是指当输入信号为零时，运放的两个输入端的基极偏置电流之差。

输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管β的失配度，由于IB1 、IB2 本身的数值已很小(微安级)，因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图6-5-3所示，测试分两步进行。

①闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压Uo1 ，如前所述，这是由输入失调电压UOS 所引起的输出电压。

②断开K1及K2，两个输入电阻RB接入，由于RB 阻值较大，流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异，因此，也会影响输出电压的大小，可见测出两个电阻RB接入时的输出电压Uo2 ，若从中扣除输入失调电压UOS 的影响，则输入失调电流IOS 为

一般，IOS 为几十到几百nA(10-9A)，高质量运放IOS低于1 nA。

测试中应注意：

①将运放调零端开路。

②两输入端电阻RB必须精确配对。

(3)开环差模放大倍数Aud

集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数，用Aud 表示。它定义为开环输出电压Uo与两个差分输入端之间所加信号电压Uid 之比。

按定义，Aud 应是信号频率为零时的直流放大倍数，但为了测试方便，通常采用低频(几十赫兹以下)正弦交流信号进行测量。由于集成运放的开环电压放大倍数很高，难以直接进行测量，故一般采用闭环测量方法。 Aud的测试方法很多，现采用交、直流同时闭环的测试方法，如图6-5-4所示。

图6-5-4　Aud测试电路

被测运放一方面通过RF、R1、R2完成直流闭环，以抑制输出电压漂移，另一方面通过RF和RS实现交流闭环，外加信号uS经R1、R2分压，使uid 足够小，以保证运放工作在线性区，同相输入端电阻R3应与反相输入端电阻R2相匹配，以减小输入偏置电流的影响，电容C为隔直电容。被测运放的开环电压放大倍数为

通常低增益运放Aud为60～70 dB，中增益运放约为80 dB，高增益在100 dB以上，可达120～140 dB。

测试中应注意：

①测试前电路应首先消振及调零。

②被测运放要工作在线性区。

③输入信号频率应较低，一般用50～100 Hz ，输出信号幅度应较小，且无明显失真。

(4)共模抑制比CMRR

集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac之比称为共模抑制比。

或CMRR=20 (dB)

共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈好，也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即CMRR愈大。CMRR的测试电路如图6-5-5所示。

图6-5-5　CMRR测试电路

集成运放工作在闭环状态下的差模电压放大倍数为

当接入共模输入信号Uic时，测得Uoc，则共模电压放大倍数为

得其共模抑制比

测试中应注意：

①消振与调零。

②R1与R2、R3与RF之间阻值严格对称。

③输入信号Uic 幅度必须小于集成运放的最大共模输入电压范围 Uicm。

(5)共模输入电压范围Uicm

集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围，超出这个范围，运放的CMRR会大大下降，输出波形产生失真，有些运放还会出现“自锁”现象以及永久性的损坏。

Uicm的测试电路如图6-5-6所示。

被测运放接成电压跟随器形式，输出端接示波器，观察最大不失真输出波形，从而确定Uicm值。

(6)输出电压最大动态范围Uopp

集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关。测试电路如图6-5-7所示。

改变uS的幅度，观察Uo削顶失真开始时刻，从而确定Uo的不失真范围，这就是运放在某一定电源电压下可能输出的电压峰峰值Uopp。

图6-5-6　Uicm测试电路

图6-5-7　Uopp测试电路

2.集成运放在使用时应考虑的一些问题

(1)输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。

(2)调零。为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压Uo，细心调节RW，使Uo为零(即失调电压为零)。如运放没有调零端子，若要调零，可按图6-5-8所示电路进行调零。

一个运放如不能调零，大致有如下原因：① 组件正常，接线有错误。② 组件正常，但负反馈不够强(RF/R1 太大)，为此可将RF短路，观察是否能调零。③ 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。④组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。⑤组件内部损坏，应更换好的集成块。

图6-5-8　调零电路

(3)消振。一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激，常采用如下措施:

①若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。②电路布线、元器件布局应尽量减少分布电容。③在正、负电源进线与地之间接上几十微法的电解电容和0.01～0.1 μF 的陶瓷电容相并联以减小电源引线的影响。

实训器材

模电实验箱；函数信号发生器；双踪示波器；晶体管毫伏表；数字万用表；μA741、电阻电容等元件。

实训器内容与步骤

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。

1.反相比例运算电路

电路如图6-5-9所示。

图6-5-9　反相比例运算电路

图6-5-10　同相比例运算电路

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R2=R1//RF。

(1)按图6-5-9连接电路，接通±12 V电源，输入端对地短路，进行调零和消振。

(2)输入f=100 Hz，Uipp=1 V的正弦交流信号，测量相应的Uopp，并用示波器观察uo和ui的相位关系，记入表6-5-1。

表6-5-1

2.同相比例运算电路

图6-5-10是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为：

其中,R2=R1// RF

按图6-5-10连接实验电路。实验步骤同内容1，将结果记入表6-5-2。

表6-5-2

3.反相加法电路

图6-5-11是反相加法电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为

其中　 R″=R1//R2//RF

图6-5-11　反相加法电路

实训步骤：

(1)按图6-5-11连接实验电路,调零和消振。

(2)采用直流输入信号，测量相应的Uo，并用示波器观察Uo和ui的相位关系，记入表6-5-3。

表6-5-3

4.减法电路

图6-5-12为减法运算电路。(Ui2-Ui1)

图6-5-12　 减法运算电路

为消除运放输入偏置电流的影响，要求R1=R2、RF=R3。

实训步骤：

(1)按图6-5-12连接实验电路,调零和消振。

(2)采用直流输入信号，测量相应的Uo，并用示波器观察Uo和Ui的相位关系，记入表6-5-4。

表6-5-4

5.积分电路

积分电路如图6-5-13所示。

图6-5-13　积分电路

实验步骤：

(1)先检查零输出，将电容C放电。

在进行积分运算之前，将图中K1闭合，进行运放零输出检查。完成后，将K1打开，以免因R2的接入而造成积分误差。

K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，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Vs后，只要K2一打开，电容就将被恒流充电，电路也就开始进行积分运算。

(2)将示波器按钮置于适当位置:将光点移至屏幕左上角作为坐标原点；Y轴输入耦合选用“DC”；触发方式采用“NORM”。

(3)加入输入信号(直流或方波)，Ui=-0.5V，然后将K2打开，用示波器观察输出随时间变化的轨迹，将输入信号参数和示波器观察到的输出波形记入表6-5-5。

表6-5-5

实训注意事项

实验时切忌将正、负电源极性接反、切忌将输出端短路，否则将会损坏集成块。信号输入时先按实验所给的值调好信号源再加入运放输入端，另外做实验前须先对运放调零。

图6-5-13积分电路中的电容C是有极性的电解电容，当Ui为负值时，Uo为正值，电容C的正极应接至输出端；如Ui为正值时，则接法相反。

思考题

1.如何识别μA741的几个管脚？

2.如何用双踪示波器观察直流信号的相位？

3.在积分电路实验前，将图6-5-13中K1闭合的目的是什么？

实训六　 OTL功率放大电路测试

实训目标

1.知识目标

(1)了解 OTL 功率放大器静态工作点的调试方法。

(2)掌握功放电路性能指标的测试方法。

(3)观察自举电容的作用。

2.技能目标

学会OTL电路的调试及主要性能指标的测试方法。

实训原理

图6-6-1为OTL 功率放大器电路原理图。

图6-6-1　OTL 功率放大器电路原理图

OTL电路的主要性能指标有：

1.最大不失真输出功率Pom

理想情况下，/8RL，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的/RL。

2.效率η

η=Pom/PE×100%

其中，PE为直流电源供给的平均功率。

理想情况下，效率ηmax=78.5%。在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc，从而求得PE=UCC Idc，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。

3.频率响应

详见实验一有关部分内容。

4.输入灵敏度

输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。

实训器材

模电实验箱；函数信号发生器；双踪示波器直流毫安表；晶体三极管：3DG6×1(9100×1)、3DG12×1(9031×1)、3CG12×1(9012×1)；晶体二极管2CP×1；8 Ω喇叭×1；电阻器、电容器若干。

实训器内容与步骤

图6-6-2所示为低频OTL功率放大器电路模块。在整个测试过程中，电路不应有自激现象。

图6-6-2　低频OTL功率放大器电路模块

1.按图6-6-1连接实验电路，将输入信号旋钮旋至零(ui=0)，电源进线中串入直流毫安表，电位器RW2置为最小值，RW1置中间位置。

接通+5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因(如RW2开路，电路自激，或管子性能不好等)。

如无异常现象，可开始调试。

(1)调节输出端中点电位UA

调节电位器RW1，用直流电压表测量A点电位，使UA=1/2UCC。

(2)调整输出极静态电流用来测试各级静态工作点

调节RW2，使T2、T3管的IC2=IC3=4～10 mA。

调整输出级静态电流的另一方法是动态调试法。先使RW2=0，在输入端接入f=1 kHz的正弦信号ui。逐渐加大输入信号的幅值，此时，输出波形应出现较严重的交越失真(注意：没有饱和失真和截止失真)，然后缓慢增大RW2，当交越失真刚好消失时，停止调节RW2。恢复Ui=0，此时直流毫安表计数即为输出级静态电流。一般数值也应在4～10 mA，如过大，则要检查电路。

输出级电流调好以后，测量各级静态工作点，记入表6-6-1。

注意：

①在调整RW2时，一是要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏输出管。

②输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动RW2的位置。

2.最大输出功率Pom和效率η的测试

(1)测量Pom

输入端接F=1 kHz的正弦信号Ui，输出端用示波器观察输出电压Uo的波形。逐渐增大Ui，使输出电压达到最大不失真输出，用示波器测出负载RL上的电压Uom，则

/RL

(2)测量η

当输出电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流Idc(有一定误差)，由此可近似求得PE=UCCICC，再根据上面测得的Pom，即可求出η=Pom/PE。

*3.输入灵敏度测试

根据输入灵敏度的定义，只要测出功率Po=Pom时的输入电压值Ui即可。

*4.频率响应的测试

测试方法同实训一。(略)

5.研究自举电路的作用

(1)测量有自举电路，且Po=Pom时的电压增益AV=Uom/Ui。

(2)将C2开路，R短路(无自举)，再测量Po=Pom的AV。

用示波器观察(1)、(2)两种情况下的输出电压波形，并将以上两项测量结果进行比较，分析研究自举电路的作用。

*6.试听

输入信号改为收音机输出，输出端接扬声器及示波器。开机试听，并观察语言和音乐信号的输出波形。

7.整理实验数据，计算静态工作点、最大不失真输出功率Pom、效率η等，并与理论值进行比较。

表6-6-1　IC2=IC3=4 mA　UA=2.5 V

/RL

η=Pom/PE×100%

实训注意事项

1.在整个测试过程中，电路不应有自激现象。

2.功率放大电路工作在大信号状态，当输出级管子温升显著时应立即断开电源检查原因。

思考题

1.分析自举电路的作用。

2.讨论实验中发生的问题及解决办法。

实训七　 直流稳压电源调试

实训目标

1.知识目标

(1)研究单相桥式整流、电容滤波电路的特性。

(2)研究加深理解稳压电源中各元件的作用。

2.技能目标

(1)掌握串联型集成稳压器应用方法。

(2)学会用示波器观察纹波的方法。

实训原理

电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电(市电)转变为直流电的直流稳压电源。

图6-7-1　直流稳压电源框图

直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图6-7-1所示。电网供给的交流电压u1(220 V，50 Hz)经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

实训器材

可调工频电源;模拟电路实验箱;双踪示波器交流毫伏表;直流电压表;交流毫安表;三端稳压器W7812;桥堆2WO6(或KBP306);电阻器、电容器若干。

实训器内容与步骤

1.整流滤波电路测试

按图6-7-2 连接实验电路。取可调工频电源电压为16 V，作为整流电路输入电压u2。

图6-7-2　整流滤波电路

(1)取RL=240 Ω ，不加滤波电容，测量直流输出电压及纹波电压UL ，并用示波器观察u2和uL的波形，记入表6-7-1 。

(2)取RL=240 Ω，C=470 μF ，重复内容(1)的要求，记入表6-7-1。

表6-7-1　U2=16 V

(3)改变RL或C的大小，观察对输出电压的影响。

注意：每次改接电路时，必须切断工频电源。

2.串联型集成稳压电源性能测试

本实验所用集成稳压器为三端固定正稳压器W7812，它的主要参数有：输出直流电压 Uo=+12 V，输出电流 L:0.1 A，M:0.5 A，电压调整率 10 mV/V，输出电阻 Ro=0.15 Ω，输入电压Ui的范围15～17 V 。因为一般UI要比 Uo大3～5 V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。

W7800、W7900系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V 七个挡位，输出电流最大可达1.5 A(加散热片)。 同类型78M系列稳压器的输出电流为0.5 A，78L系列稳压器的输出电流为0.1 A。若要求负极性输出电压，则可选用W7900 系列稳压器。

除固定输出三端稳压器外，尚有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。

图6-7-3是用三端式稳压器W7812构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品(又称桥堆)，型号为2W06(或KBP306)，内部接线和外部管脚引线如图6-7-4所示。滤波电容C1、C2一般选取几百～几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3(数值为0.33 μF )，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1 μF)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。

图6-7-3　由W7812构成的串联型稳压电源

图6-7-4　桥堆管脚图

实训步骤：

1.按图6-7-3连接实验电路。取可调工频电源电压作为整流电路输入电压u2。

2.测量输出直流电压值、输出纹波电压，记入表6-7-2。

表6-7-2　 U2=　　 V

实训注意事项

1.每次改接电路时，必须切断工频电源。

2.电路连接时，注意电容、桥堆、集成稳压块的正确接法。

思考题

1.如何用数字万用表检测桥堆质量的优劣？

2.如何识别CW7812的引脚？

3.CW7812的输入信号与输出信号满足什么关系才能保证集成稳压器工作在线性区？

(李小红)