集成运放基本特性研究

【实验目的】

(1)研究负反馈对放大电路增益和带宽的影响。

(2)研究大信号工作时运放的压摆率SR对放大器的限制。

(3)学习掌握点频法测电路的幅频特性和截止频率。

(4)了解集成运放在不同应用情况下的制约因素。

【实验任务】

实验电路如图7.8.1所示,运算放大器选用μA741,电源电压采用±12 V。

图7.8.1　负反馈放大器

1.电路在小信号输入情况下

输入信号ui选用30m Vpp的正弦信号。

(1)当反馈电阻Rf分别取10 kΩ和20 kΩ时,测对应的电路工作在100 Hz时的电压放大倍数Au和上截止频率fH。(电路中平衡电阻Rp的取值为Rp=R1//Rf)

(2)根据测量数据计算相应的增益带宽积GBP,并与器件手册给出的值进行对比分析。

(3)Rf取20 kΩ时,分别观测记录电路工作于100 Hz时和上截止频率时两组输入、输出波形,测量输出、输入信号的相位差,并对结果进行对比分析。

2.电路在大信号输入情况下

Rf取20 kΩ,Rp的取值为Rp=R1//Rf,选择100 Hz作为中频段工作频率。

(1)正弦输入信号ui分别为300 m Vpp、1Vpp时,测量电路对应的上截止频率fH,将测量结果与前面输入为30m Vpp时所测的fH值相比较并进行分析讨论。

(2)ui为1 Vpp时,分别观测记录电路工作于中频段100 Hz和上截止频率时的两组输入、输出波形,并将这两组波形与前面任务1.(3)中所画的两组波形进行对比分析。

(3)根据压摆率SR的定义,选择上面观测的输出波形中最适当的一个,利用该波形测算所用运算放大器的压摆率SR的值,与器件手册给出的SR值相比较并分析。

3.电压传输特性的测量

Rf取20 kΩ时,利用示波器的X-Y显示,观测电路工作在频率100 Hz时的电压传输特性,从特性曲线读出电路电压放大倍数和动态范围。

【实验预习】

(1)查阅所用集成运算放大器的数据手册,了解其相关参数和使用方法,自拟表格记录相关的重要直流参数、交流参数和极限参数,并解释参数含义。

(2)阅读本实验【相关知识】并参考相关资料,理解相关理论,了解相关测量方法。

(3)使用仿真软件对电路进行仿真和分析。

(4)参照相关测量方法,拟定实验详细测量操作步骤,设计相关数据表格,列出实验操作注意事项。

(5)选出实验用元器件并检测,在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

①如何用实验室的稳压电源提供电路所需的正、负两路电源?画出接线示意图。

②使用集成电路时,在操作方面应注意什么?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①集成运放构成的小信号放大器在负反馈下扩展通频带的同时还有什么性能的改变?在频率比较高时应注意什么?

②总结实验过程中出现的问题和解决方法,并针对实验内容、测试方法等提出想法或改进建议。

【相关知识】

1.放大电路的通频带及扩展

在阻容耦合放大电路中,由于耦合电容、旁路电容、晶体管极间电容和电路中的杂散电容的存在,使得电路对不同频率信号的放大能力各不相同。电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性或幅频响应;输出信号与输入信号之间的相位差与频率的关系称为相频特性或相频响应。阻容耦合电路的幅频特性曲线如图7.8.2所示。(www.xing528.com)

图7.8.2　放大电路的幅频特性

从图7.8.2可以看出,在中间一段频率范围内,放大倍数几乎不随频率变化,这一频率范围称为中频区,电压放大倍数为Aum。在中频区以外,随着频率的减小或增大,放大倍数都将下降,当放大倍数下降到即0.707倍时,所对应的高频频率和低频频率分别称为上截止频率fH和下截止频率fL,二者之间的范围为电路的通频带,二者之差为带宽,用BW来表示。

通频带是放大电路频率响应的一个重要指标。通频带越宽表示放大电路对信号频率的适应能力越好。如果放大电路的通频带不够宽,输入信号中不同频率的各次谐波分量就不能被同样地放大,这样输出波形就会失真,这种失真称为频率失真。为了防止产生频率失真,要求放大电路的通频带能够覆盖输入信号占有的整个频率范围。因此,在许多情况下需要对放大电路的通频带进行扩展。

扩展通频带意味着改善电路的低频响应和高频响应。低频响应的改善就是降低fL,这种改善是有限的,最彻底的做法是去掉耦合电容,信号采用直接耦合方式,则电路的fL为零,电路具有低通频率响应。改善高频响应就是使fH提高,在器件参数、信号源内阻和负载阻抗确定的条件下,提高电路上截止频率fH的措施有引入负反馈、采用不同组态的电路形式、外接补偿元件等。

2.放大电路的增益带宽积

放大电路引入负反馈后通频带将获得比较明显的扩展,但要以牺牲电路的电压增益为代价。因此,只有在基本电路具有比较高的增益时,利用负反馈扩展通频带才具有实际意义和可行性。

理想集成运算放大器的开环增益无穷大,实际运算放大器的开环电压放大倍数也将达到105～106倍。以通用运放μA741为例,其增益带宽积(gain bandwidth product,GBP)典型值为1 MHz,开环幅频特性如图7.8.3所示。因为运算放大器是直接耦合的,所以其幅频特性显示出低通特性,不存在下截止频率。从图中还可以看出μA741的开环增益接近110 dB,而开环带宽却很窄,上截止频率fH0小于10 Hz。因此运放在实际应用中用作电压放大时,必须工作在闭环状态,即引入负反馈降低增益,从而获得较宽的通频带。

图7.8.4给出了μA741引入负反馈后,电压增益降至40 dB时,上截止频率fH1扩展到约为10 k Hz位置,幅频特性为图中虚线所示。如果反馈系数随频率的变化而保持不变,则在不同深度的负反馈情况下,电路的增益带宽积基本保持不变。

图7.8.3　运放μA741幅频特性

图7.8.4　运放闭环应用通频带得到扩展

3.大信号输入时的频带扩展和压摆率的限制

大信号输入时,运算放大器的工作频率增高到一定程度后,输出信号将受到运放的电压摆动速率的限制而变成三角波,运放的最大输出电压值也随着频率的增加而减小。图7.8.5中给出μA741的最大输出电压随频率的变化关系曲线。

图7.8.5　运放μA741最大输出随频率的变化关系

电路的电压摆动速率(slew rate,SR)简称压摆率,又称电压转换速率,是指单位时间(一般用微秒)电路输出电压值的最大可改变范围,公式表示为,是体现电路工作速度的重要指标。当输入信号电压变化斜率的绝对值(或输入信号微分的绝对值)小于SR时,输出电压才能随输入电压的变化规律而进行变化,输入信号被不失真地放大。待放大的信号幅值越大,频率越高,就需要SR更大的运放。

放大电路的输出信号失真变成三角波时,电路的上截止频率fH定义为:当输入正弦波信号的幅度保持不变的情况下,输出三角波信号的基波分量的幅度下降为中频时不失真正弦输出信号幅度的0.707倍时,对应的输入信号频率。三角波的基波分量幅度是三角波幅度的8/π2,所以当三角波幅度为中频不失真正弦输出信号幅度的0.707÷8/π2=0.87倍时,对应的输入信号频率为电路的上截止频率。此截止频率小于电路在小信号输入情况下的上截止频率,因此,利用负反馈扩展电路的通频带时,如果电路的输入信号为大信号,则在高频时将受到运算放大器压摆率的限制,达不到小信号输入时的效果。

4.幅频特性的测量和观察

(1)点频法测电路幅频特性

点频法又叫逐点测量法,可以利用实验室中常见的仪表测试电路在输入信号幅度不变,频率变化时对应的输出信号的幅度变化情况。利用得到的数据,做出电路的增益或电压放大倍数随频率变化的曲线,即电路的幅频特性曲线。

点频法具体操作方法如下:

①输入选用幅度适当的正弦信号,幅度过小信号的信噪比低影响测量精度,过大则输出容易产生非线性失真;频率选电路的中频段某一频率值。

②信号正确接入电路,用毫伏表或示波器监测电路输入信号大小,调输入信号的幅度为选定值。

③用示波器同时监测输入、输出波形,确保电路工作正常后,用毫伏表或示波器测量电路的输出信号大小,即为电路中频最大输出uom。

④改变输入信号的频率,并用毫伏表或示波器监测电路的输入信号幅度保持不变,用毫伏表或示波器测量不同频率对应的输出信号大小并记录。

⑤当输出信号减小为中频输出信号uom的0.707倍时,对应的频率即为截止频率。

⑥利用测得的数据,做出电路电压放大倍数或增益随频率的变化曲线,即为电路的幅频特性曲线。

需要说明的是,测量过程中保持输入信号的幅度不变,意味着如果随着频率的改变电路的净输入信号大小有变化,必须调节信号源使被测电路净输入信号维持原来的大小。另外测量过程中应始终用示波器监测输入输出信号,保障电路处于正常工作状态。选择测试点时,可以先大体测出上、下截止频率的大约数值,然后在它们附近多测一些点,而在曲线变化比较平坦的地方可以少取测试点。

点频法测幅频特性的优点在于测试原理简单,可采用常见仪器进行测量。但由于需要选取的频率点较多,所以操作比较烦琐。另外测量数据不连续,有可能因为取点的不合理或者不够多而漏掉某些细节,不能反映电路的动态幅频特性。

(2)电路幅频特性观测

用扫频仪可以测量显示电路的幅频特性,操作简便结果直观,但需要用到专用的扫频仪。

如果能为电路提供幅度稳定的扫频信号,用数字示波器监测相应的输出信号,也可以观察到输出信号幅度随频率的变化情况,得到电路输出信号幅度随频率的变化规律,及幅频特性。在进行测量时,注意选择扫频信号的幅度适当,扫频范围覆盖电路的高、中、低三个频率区。并根据扫频时间合理选择示波器的时间灵敏度,以便获得理想的显示图形。

(3)点频法测电路的截止频率

测电路的截止频率时,具体操作和注意事项与测幅频特性基本一致,可以参考前面列出的测幅频特性的方法进行操作,然后根据截止频率的定义确定截止频率点即可。但是,大信号输入情况下高频时输出信号如果出现失真,此时截止频率的定义与小信号有所不同,所以在小信号输入和大信号输入两种情况下,具体确定上截止频率的操作略有不同。

①小信号输入情况

小信号输入时电路输出信号无非线性失真,根据截止频率的意义,改变输入信号的频率使电路增益或电压放大倍数降为中频增益或中频电压放大倍数的0.707倍,此时输入信号频率即为截止频率。比中频段低的为下截止频率fL,比中频段高的为上截止频率fH。

②大信号输入情况

运算放大器构成的放大器输入大信号时,中频时输出不出现失真,下截止频率的测定方法与小信号输入时的方法相同。测上截止频率时,频率增加到一定程度后,受运放压摆率的限制,输出信号变成三角波。这时放大器的上截止频率定义为当输出信号的基波分量下降至中心频率不失真信号幅度的0.707倍时,对应的输入信号频率。三角波的基波分量幅度是三角波幅度的8/π2倍。所以,提高输入信号频率使三角波的幅度下降至中频输出正弦波幅度的0.707÷(8/π2)=0.87倍时,对应的输入信号频率即为该放大器的上截止频率。

所以在大信号输入情况下的测量电路的幅频特性或上截止频率,可以通过示波器直接读取中频输出正弦波和高频输出三角波的幅度大小,确定上截止频率。