实验14运算放大器的应用 受控源、电压跟随器、反相器和DA转换器的设计 一、实验目的。 1.获得对运算放大器和有源器件的感性认识。 .加深对受控源、电压跟随器和反相器的认识和理解。 3 加深对4位数字模拟转换器的认识和理解。 4.了解运算放大器的应用。 5.学习含有运算放大器电路的分析方法。 二、原理说明 (一)受控源 1,电源有独立电源和受控源之分。独立电源的特点是，电压源的电动势或电流源的电流 都不受电路中其余支路电压或电流的控制。而受控源，其电压或电流都要受电路中某一支路 电压或电流的控制。 2.在电路分析中，受控源是作为一个电路元件（即理想化的模型）提出的，它原本出现在 电子电路或实际的电器中，是一种电路物理现象的反映。作为电路模型，它是一种非独立源， 实际上它是有源多端元件。它的输出可以是电压，也可以是电流：同样，它的输入控制端) 可以是电压（压控型），也可以是电流（流控型）。因此它具有四种类型，如图2-141所示，在 电路中实现不同的电路功能。 VCVS CCVS 图2-14-1 (1)电压控制电压源(VCVS) 转移特性为U2=4心，4称为转移电压比（或称电压增益）。 (2)电压控制电流源(VCCS)
实验 14 运算放大器的应用—— 受控源、电压跟随器、反相器和 DA 转换器的设计 一、实验目的。 1．获得对运算放大器和有源器件的感性认识。 2．加深对受控源、电压跟随器和反相器的认识和理解。 3．加深对 4 位数字模拟转换器的认识和理解。 4．了解运算放大器的应用。 5．学习含有运算放大器电路的分析方法。 二、原理说明 （一）受控源 1．电源有独立电源和受控源之分。独立电源的特点是，电压源的电动势或电流源的电流 都不受电路中其余支路电压或电流的控制。而受控源，其电压或电流都要受电路中某一支路 电压或电流的控制。 2．在电路分析中，受控源是作为一个电路元件(即理想化的模型)提出的，它原本出现在 电子电路或实际的电器中，是一种电路物理现象的反映。作为电路模型，它是一种非独立源， 实际上它是有源多端元件。它的输出可以是电压，也可以是电流；同样，它的输入(控制端) 可以是电压(压控型)，也可以是电流(流控型)。因此它具有四种类型，如图 2-14-1 所示，在 电路中实现不同的电路功能。 图 2-14-1 （1）电压控制电压源（VCVS） 转移特性为 U2 = U1， 称为转移电压比（或称电压增益）。 （2）电压控制电流源（VCCS）
转移特性为12=gU1,g称为转移电导。 (3)电流控制电压源(CCVS) 转移特性为U,=，r称为转移电阻。 (4)电流控制电流源(CCCS) 转移特性为，=以，B称为转移电流比（或称电流增益）。 以上四个参数山、g、r和B统称为转移参数 (二)有关运算放大器的简单认识 1.运算放大器是用集成电路技术制作的一种多端有源元件。集成电路技术在半导体制 造工艺基础上，将元件、电路、系统结合于一体，实现了电子器件的重大变革。它历经 几代，已向大规模和超大规模集成电路 发展。集成运放种类很多 有高速 ,高阻 、高压 大功率、低耗、通用型等。我们常用的为通用型，如pA741和LF351等。 2.在运算放大器的外部接入不同的电路元件，可以实现信号的模拟运算或模拟变换。 应用运算放大器不仅可以进行诸如加、减、乘、除、比例、求和、微积分、对数等运算： 更重要的是在实现自动化及信号获取等方面的应用，幅度比较、洗择、采样保持、滤 被以及正弦波，形波、二角波、据波的取第 3.运算放大器的电路符号及实际元件的双列直插式引出端如图214-2所示 33于 图2-14-2 以μA741运算放大器为例，它有8个引出端。其中③端为同相输入端，②端为倒相 输入端，©端为运放输出端，⑦端接直流电源（正电源），④端接直流电源（负电源）。其它 端钮可暂不外接任何元件。 信号从同相输入端(“+”端)输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性 相同。信号从倒相输入端(“一”端)输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极 性相 在分析含运放组成的实际电路时，我们可将其理想化。理想运放主要是指其开环放 大倍数A→0，输入电阻5→0，输出电阻。→0，则有 4_=4 虚短 i.=i=0 虚断。 具体的分析方法：一个是用受控的概念，另一个是应用节点分忻法，但都要用到上 述两个关系式
转移特性为 2 gU1 I = ，g 称为转移电导。 （3）电流控制电压源（CCVS） 转移特性为 2 1 U = rI ，r 称为转移电阻。 （4）电流控制电流源（CCCS） 转移特性为 2 1 I = I ， 称为转移电流比（或称电流增益）。 以上四个参数、g、r 和 统称为转移参数。 （二）有关运算放大器的简单认识 1．运算放大器是用集成电路技术制作的一种多端有源元件。集成电路技术在半导体制 造工艺基础上，将元件、电路、系统结合于一体，实现了电子器件的重大变革。它历经 几代，已向大规模和超大规模集成电路发展。集成运放种类很多，有高速、高阻、高压、 大功率、低耗、通用型等。我们常用的为通用型，如 pA741 和 LF351 等。 2．在运算放大器的外部接入不同的电路元件，可以实现信号的模拟运算或模拟变换。 应用运算放大器不仅可以进行诸如加、减、乘、除、比例、求和、微积分、对数等运算； 更重要的是在实现自动化及信号获取等方面的应用，如幅度比较、选择、采样保持、滤 波以及正弦波，矩形波、三角波、锯齿波的获取等。 3．运算放大器的电路符号及实际元件的双列直插式引出端如图 2-14-2 所示。 图 2-14-2 以μA741 运算放大器为例，它有 8 个引出端。其中③端为同相输入端，②端为倒相 输入端，⑥端为运放输出端，⑦端接直流电源(正电源)，④端接直流电源(负电源)。其它 端钮可暂不外接任何元件。 信号从同相输入端（“+”端）输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性 相同。信号从倒相输入端（“一”端）输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极 性相反。 在分析含运放组成的实际电路时，我们可将其理想化。理想运放主要是指其开环放 大倍数 A → ，输入电阻 ri → ，输出电阻 rO → 0 ，则有 u− = u+ 虚短； i − = i + = 0 虚断。 具体的分析方法：一个是用受控的概念，另一个是应用节点分忻法，但都要用到上 述两个关系式。 + + － 3 2 4 -u 7 +u 6 2 3 4 7 6 1 8 5
含有运算放大器的电路是一种有源网铬，在电路实验中主要研究它的端口特性以了 解其功能 三、实验设备 表2-14-1 序 名款 规格与型号 数量各注 可调自流稳压电 可恤流游 G04 运算放大器 A741 若干 可变由阻累 0^99998.90 2 数字万用表 GS-Ⅱ组合仪表 电阻 1K.2张.5k.6、8服、10球、16K 四、实验任务 (一)用运算放大器制作四种受控源电路 1.用运算放大器和若干电阻元件设计电压控制电压源VCVS电路，并验证所设计的VCVS 电路满足转移特性方程：U2=U,其中：为直流稳压电源输出，即VCVS电路的输入 电压，h为VCVS电路的输出（以下同） (1)测量转移特性U2寸(U山) 固定受控源VCVS电路的负载R,=2KΩ（此电阻可在实验箱DG06上找到，以下同）， 调节，测量电压2，将数值记录于表214-2中。 表2-142 v) 0 12 4 667 ) (2)测试负载特性U寸()，其中：么为流过负载：上的电流（以下同） 保持U=2V不变 调节R(R用实验箱DG21中的可变电阻器R代替，以下同)，使 其阻值由小到大变化，测量电压5及电流2，将数据记录于表2143中。 表2-14-3 10 200 300 40 500 60 700 800 900 (mA) 2.用运算放大器和若干电阻元件设计电压控制电流源VCCS电路，并验证所设计的VCCS 电路满足转移特性方程：=gU,其中：b为受控源VCCS电路的输出，即流过VCCS 电路负载R上的电流。 (1)测试转移特性2=∫(0) 固定受控源VCCS电路的负载R=2KQ,调节U1,测量电流，将数值记录于表2-14-4
含有运算放大器的电路是一种有源网络，在电路实验中主要研究它的端口特性以了 解其功能。 三、实验设备 表 2-14-1 序号 名称 规格与型号 数量 备注 1 可调直流稳压电源 1 DG04 2 可调恒流源 1 DG04 3 运算放大器 μA741 若干 4 可变电阻器 0~99999.9Ω 1 DG21 5 数字万用表 1 6 GYS-Ⅱ组合仪表 1 7 电阻 1K、2K、5K、6K 、8K、10K、16K 若干 四、实验任务 （一）用运算放大器制作四种受控源电路 1．用运算放大器和若干电阻元件设计电压控制电压源 VCVS 电路，并验证所设计的 VCVS 电路满足转移特性方程： U2 = U1 ，其中：U1 为直流稳压电源输出，即 VCVS 电路的输入 电压，U2 为 VCVS 电路的输出（以下同）。 （1）测量转移特性 U2=f（U1） 固定受控源 VCVS 电路的负载 RL=2KΩ（此电阻可在实验箱 DG06 上找到，以下同）， 调节 U1，测量电压 U2，将数值记录于表 2-14-2 中。 表 2-14-2 U1（V） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 U2（V） （2）测试负载特性 U2=f（I2），其中：I2 为流过负载 RL上的电流（以下同） 保持 U1=2V 不变，调节 RL（RL用实验箱 DG21 中的可变电阻器 R2 代替，以下同），使 其阻值由小到大变化，测量电压 U2 及电流 I2，将数据记录于表 2-14-3 中。 表 2-14-3 RL（Ω） 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ∞ U2（V） I2（mA） 2．用运算放大器和若干电阻元件设计电压控制电流源 VCCS 电路，并验证所设计的 VCCS 电路满足转移特性方程： 2 gU1 I = ，其中：I2 为受控源 VCCS 电路的输出，即流过 VCCS 电路负载 RL上的电流。 （1）测试转移特性 I2 = f（U1） 固定受控源 VCCS 电路的负载 RL=2KΩ，调节 U1，测量电流 I2，将数值记录于表 2-14-4
名 表2-14-4 a.5 1.0 1.5 3.5 () (2)测试负载结性2=f(,) 保持U=2V不变，调节R,使其阻值由小到大变化，测量电压及电流，将测量数 据记录于表2145中 表2-14-5 B(k0) 50 20 10 &(M) 五 (二)用运算放大器制作电压跟随器和电压反相器。 1.分压器的制作 最简单的分压器可采用直流电阻分压电路构成，如图2-143所示 +100 100 3 6 Us= 10021 +10V -4 1000 2 图2-14-3 这样的分压器在带负载能力上是很差的，当负载变化范围很大时，分压器的输出电压波 动也很大，有时甚至不能工作。 (1)测定空载输出电压。用直流电压表试测图2-143所示电路中标记的各点对地电压， 并记入表2.14-6中。 表2-14-6 (Y) L (V) t (v) (V) 空载 10 (2)测带载输出电压。在此分压器输出端分别带不同量级负载，测试各点对地输出电 压， 数据填入表2147中。根据实验结果分析由于负载的接入引起输出电压的波动情况。 花2-14-7 负载() 3003x30 电压) 变化率（）
中。 表 2-14-4 U1（V） 0 0.5 1.0 1.5 2 2.5 3 3.5 I2（mA） （2）测试负载特性 I2= f（U2） 保持 U1=2V 不变，调节 RL，使其阻值由小到大变化，测量电压 U2 及电流 I2，将测量数 据记录于表 2-14-5 中。 表 2-14-5 RL（kΩ） 50 20 10 8 4 2 1 U2（mA） IL（V） （二）用运算放大器制作电压跟随器和电压反相器。 1．分压器的制作 最简单的分压器可采用直流电阻分压电路构成，如图 2-14-3 所示。 图 2-14-3 这样的分压器在带负载能力上是很差的，当负载变化范围很大时，分压器的输出电压波 动也很大，有时甚至不能工作。 （1）测定空载输出电压。用直流电压表试测图 2-14-3 所示电路中标记的各点对地电压， 并记入表 2-14-6 中。 表 2-14-6 空载 US（V） UA E（V） UB E（V） UC E（V） UD E（V） UE（V） 10V 0V （2）测带载输出电压。在此分压器输出端分别带不同量级负载，测试各点对地输出电 压，数据填入表 2-14-7 中。根据实验结果分析由于负载的接入引起输出电压的波动情况。 表 2-14-7 UA E UB E UC E UD E 负载（） 400 4K 40K 300 3K 30K 200 2K 20K 100 1K 10K 电压（V） 变化率（%） 10V 8V 6V 4V 2V 0V 100 100 100 100 100 ＋ － US＝ ＋10V A B C D E
2.电压跟随器的制作 用运算放大器设计 一电压跟随器电路，使其输出输入电压的关系为4= 由此可知，它具有电压跟随作用，故有其名。由于其输入端不取电流，且输出具有跟随 输入的作用，通常用其做分压器与负载间的隔离级是很适宜的，由于其输出阻抗很小，故大 大增加了带负载能力，消除了负找效应。 (1)测图2,143所示分压器，加用运算放大器设计的电压跟随器后的空载输出电压。 具体测试电路自己设计，将测试数据填入表2-14-8中。 表2-14-8 (2)测图2-14-3所示分压器，加用运算放大器设计的电压跟随器后的带载输出电压。 具体测试电路自己设计，将测试数据填入表214-9中。 表2-14-9 400 4K 40 300 30 200 2K 20K 10 10K 电压() 变化本（多） 用运算放大器和若干电阻元件设计一电压反相器电路，并说明其意义。 3由压反相器的制作 用运算放大器和若干电阻元件设计电压反相器电路，使其输出输入电压的关系为： 。三-扎. (1)测图2.143所示分压器，加用运算放大器设计的电压反相器后的空载输出电压（注 意其正负号)。具体测试电路自己设计，将测试数据填入表2-14-10中。 表2-1410 (V)t (V) 空我 (2)测图2-14-3所示分压器，加用运算放大器设计的电压反相器后的带载输出电压（注 意其正负号)。具体测试电路自己设计，将测试数据填入表2-14-11中。 表2-14-11 负载(2) 400440 3003w30 2002K20K 100 10 电压(V) 变化率() (三)4位数字一模拟转换器的制作 4位数字一模拟转换器的电路如图2-144所示，设R=16R,推导并验证该电路的输出
2．电压跟随器的制作 用运算放大器设计一电压跟随器电路，使其输出输入电压的关系为 uO = u1 由此可知，它具有电压跟随作用，故有其名。由于其输入端不取电流，且输出具有跟随 输入的作用，通常用其做分压器与负载间的隔离级是很适宜的，由于其输出阻抗很小，故大 大增加了带负载能力，消除了负载效应。 （1）测图 2-14-3 所示分压器，加用运算放大器设计的电压跟随器后的空载输出电压。 具体测试电路自己设计，将测试数据填入表 2-14-8 中。 表 2-14-8 空载 US（V） UA E（V） UB E（V） UC E（V） UD E（V） UE（V） 10V 0V （2）测图 2-14-3 所示分压器，加用运算放大器设计的电压跟随器后的带载输出电压。 具体测试电路自己设计，将测试数据填入表 2-14-9 中。 表 2-14-9 UA E UB E UC E UD E 负载（） 400 4K 40K 300 3K 30K 200 2K 20K 100 1K 10K 电压（V） 变化率（%） 用运算放大器和若干电阻元件设计一电压反相器电路，并说明其意义。 3．电压反相器的制作 用运算放大器和若干电阻元件设计电压反相器电路，使其输出输入电压的关系为： uO = −u1 （1）测图 2-14-3 所示分压器，加用运算放大器设计的电压反相器后的空载输出电压（注 意其正负号）。具体测试电路自己设计，将测试数据填入表 2-14-10 中。 表 2-14-10 空载 US（V） UA E（V） UB E（V） UC E（V） UD E（V） UE（V） 10V 0V （2）测图 2-14-3 所示分压器，加用运算放大器设计的电压反相器后的带载输出电压（注 意其正负号）。具体测试电路自己设计，将测试数据填入表 2-14-11 中。 表 2-14-11 UA E UB E UC E UD E 负载（） 400 4K 40K 300 3K 30K 200 2K 20K 100 1K 10K 电压（V） 变化率（%） （三）4 位数字一模拟转换器的制作 4 位数字一模拟转换器的电路如图 2-14-4 所示，设 Rf=16R，推导并验证该电路的输出