【2017年整理】【东南大学模电实验】实验七运算放大器及应用电路.doc

实验七 运算放大器及应用电路 实验目的： 认识运放的基本特性，通过仿真测试了解运放的基本参数，学会根据实际情况选择运放 了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法。 实验内容： 仿真实验。 运放基本参数 ?电压传输特性 如图，用DC Sweep给出LM358P线性工作区输入电压范围，根据线性区特性估算该运放的直流电压增益Avd0. DC Sweep仿真结果： Avd0=V(3)/V3=dy/dx=99.599k 将扫描电压范围设为-500μV~500μV，当斜率为99.5987k时，测得线性工作区输入电压范围为-14.369V~12.9402V。 思考： 当输入差模电压为0时，输出电压为多少？若要求输出电压为0，如何施加输入信号？为什么？ 输入差模电压为0时，输出电压为-3.3536V。 若要求输出电压为0，应将输入电压V3置为33.604μV。 观察运放输出电压的最高和最低电压，结合LM358P内部原理图所示电路分析该仿真结果的合理性。 最低电压：-14.369V，最高电压：12.9402V。 最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。IN+可对OUT下边的PNP管射级电流造成影响。IN+在很小的正电位时，输出为0，这导致了最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。 ?输入失调电压 根据下图所示电路，仿真得到LM358P的输入失调电压VIO。 R1=1kΩ，R2=10Ω，进行直流工作点仿真，并完成表1 R1=10kΩ，R2=100Ω，进行直流工作点仿真，并完成表2 R1=100kΩ，R2=1kΩ，进行直流工作点仿真，并完成表3 表1 V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -3416.60 -33.6312 0 33.6312 -34.16687 表2 V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -3596.2 -33.6325 0 33.6325 -35.962 表3 V3(μV) V4(μV) V5(μV) V5-V4(μV) -V3/(-R1/R2)(μV) -5388.47 -33.6148 0 33.6148 -53.8847 根据上述仿真结果，给出运放的输入失调电压VIO。尝试设置V3=VIO，观察输出电压V(3)的变化。 由上表可得，VIO=V+-V-=V5-V4=33.63μV 当V3=33.63V时，得三种情况的输出电压如下： R1=1kΩ，R2=10Ω R1=10kΩ，R2=100Ω R1=100kΩ，R2=1kΩ -24.0352μV -203.2571μV -1.9955mV 可见输出电压很小，可视为满足VIO条件（输出电压为零时在输入端所加的补偿电压）。 思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的VIO存在较大的差异？实际测量中，若输入失调电压过小，需要通过测量输出电压并计算得到VIO时，电阻的选取上要注意什么？ 失调电压是输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为折算到输入端的失调电压。亦即使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压。运放的输入电阻不是无穷大，这导致了失调电压的存在。 因此要尽量选择小电阻，减小分压的影响。 ?增益带宽积GBP 根据下图进行AC仿真，得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。标出增益降到最大增益值0.707倍时对应的频率，计算GBP。相频特性中标记主极点、次主极点的频率。 仿真结果如下： -3dB的频率为9.85kHz。 主极点频率9.85kHz，次主极点（相移180）频率100MHz。 GBP=99.8986*9.8509k=984.091kHz 思考：若输入信号频率为100kHz，采用LM358P能得到的最高增益？ 当频率为GBP时，器件的增益下降到单位增益。即此时A=1。同时说明这个放大器最高可以以GBP的频率工作而不至于使输入信号失真。 因此Avmax=GBP/100k=9.841dB。 ④转换速率（压摆率）SR 当输入为大信号时，运放限于电容充放电速度出现失真，其输出电压能达到的最大变化速率定义为压摆率。根据下图进行瞬时分析（Transient Analysis）得到的结果得到SR。 仿真结果如下： 可见SR=dy/dx=496.74k B.将上图V3改为正弦信号，振幅10V，频率分别为1kHz和10kHz时得到相应的输入输出波形对照图，观察波形变化。 1kHz： 10kHz： 其中红线（V(3)）为输出电压，绿线（V(4)）为输入电压。 可见当信号频率越大，输出电压越滞后于输入电压，失真越明显。这是因为 т=，因此频率越大，т越大，电容充放电时间越长，输出电压滞后越明显。 思考：若本