集成運放同相放大器帶寬測量設計與仿真實驗報告
時間：2020-10-30 20:43:12 來源：勤學考試網 本文已影響 人 
集成運放同相放大器帶寬測量（設計和仿真）試驗匯報
一、試驗目標
1、熟悉放大器幅頻特征測量方法。
2、掌握集成運算放大器帶寬和電壓放大倍數關系。
3、了解掌握Proteus軟件基礎操作和應用。
二、試驗線路及原理
1、試驗原理
（1）同相放大器
同相放大器又稱同相百分比運算放大器，其基礎形式圖2.1所表示。輸入信號Ui經R2加至集成運放同相端。Rf為反饋電阻，輸出電壓經Rf及R1組成分壓電路，取R1上分壓作為反饋信號加至運放反相輸入端，形成了深度電壓串聯負反饋。R2為平衡電阻，其值為R2=R1//Rf。電壓放大倍數為。輸出電壓和輸入電壓相位相同，大小成百分比關系。百分比系數（即電壓放大倍數）等于1+Rf/R1,和運放本身參數無關。
圖2.1 同相放大器 圖2.2 某放大電路幅頻特征
（2）基礎概念
1）帶寬
運放帶寬是表示運放能夠處理交流小信號能力。運放帶寬簡單來說就是用來衡量一個放大器能處理信號頻率范圍，帶寬越高，能處理信號頻率越高，高頻特征就越好，不然信號就輕易失真。
圖2.2所表示為某放大電路幅頻響應，中間一段是平坦，即增益保持不變，稱為中頻區（也稱通帶區）。在fL和fH兩點增益分別下降3dB，而在低于fL和高于fH兩個區域，增益隨頻率遠離這兩點而下降。在輸入信號幅值保持不變條件下，增益下降3dB頻率點，其輸出功率約等于中頻區輸出功率二分之一，通常稱為半功率點。通常把幅頻響應高、低兩個半功率點間頻率定義為放大電路帶寬或通頻帶，即BW=fH-fL。式中fH是頻率響應高端半功率點，也稱為上限頻率，而fL則稱為下限頻率。通常有fL<<fH，故有BW≈fH。
2）單位增益帶寬
運放閉環增益為1倍條件下，將一個頻率可變恒幅正弦小信號輸入到運放輸入端，伴隨輸入信號頻率不停變大，輸出信號增益將不停減小，當從運放輸出端測得閉環電壓增益下降3db（或是相當于運放輸入信號0.707）時，所對應信號頻率乘以閉環放大倍數1所得增益帶寬積。單位增益帶寬是一個很關鍵指標，對于正弦小信號放大時，單位增益帶寬等于輸入信號頻率和該頻率下最大增益乘積。
3）電壓增益G
電壓增益表示是放大電路對輸入信號放大能力，使用表示方法是分貝表示法，其定義為：Gu=20lg（Uo/Ui）=20lgAu，單位是分貝，用符號dB表示。
4）放大器幅頻特征
放大電路輸出信號幅度和相位，會伴隨信號頻率改變發生改變，通常來說，在放大電路低頻段和高頻段和中頻段相比，信號幅度會下降，也會產生一定相移。這就是放大電路頻率特征，它分為幅頻特征和相頻特征兩方面。幅頻特征是描繪輸入信號幅度固定，輸出信號幅度隨頻率改變而改變規律。
5）帶寬增益積
這是衡量放大器性能一個參數，表示增益和帶寬乘積，這個乘積是一定。
6）本試驗選擇集成運放芯片UA741，引腳圖以下圖所表示。
圖2.3 UA741引腳圖
引腳作用為：
1、5腳為調零端；2腳為反相輸入端；3腳為同向輸入端；4較為負電源V-；
6腳為輸出OUT；7腳為正電源V+；8腳空。
2、試驗線路
圖2.4 試驗線路
三、試驗內容及步驟
1、檢驗試驗設備是否齊全，包含直流穩壓電源、數字信號發生器、雙蹤示波器、萬用表和對應電源線、輸出線等，領取鑷子、剪刀各一把，面包板一塊，導線若干。
2、依據老師所發集成運放芯片TL082CN查閱芯片引腳圖以下圖所表示。
圖3.1 TL082CN引腳圖
芯片引腳功效以下表所表示。
表1 TL082CN引腳功效
3、確定測試放大倍數Auf為2、3、4時三組試驗數據，選擇R1=R2=10k，Rf分別為10k，20k，30k，依據原理圖和芯片引腳圖搭接電路，同時注意走線平整、美觀。
4、開始搭接電路，首先在面包板上搭接同相放大電路。
（1）將芯片TL082CN插在面包板上，注意引腳編號。
（2）在引腳8引出+12V電源線，引腳4引出-12V電源線，引腳1經過30k電阻（即Rf）接引腳2，同時引腳1引出一根信號線接示波器，引腳2經10k電阻接地，地線引出，引腳3經10k電阻引出一根信號線接信號發生器。以下圖所表示。
圖3.2 面包板接線圖
5、連接示波器、直流穩壓電源、信號發生器和面包板上電路，將面包板上引出+12V、-12V電源線及地線和直流穩壓電源相連，將示波器、信號發生器和引出對應信號線連接，并將示波器、信號發生器和直流穩壓電源共地，以下圖所表示。
圖3.3 整體接線圖
6、搭接電路完成，檢驗電路搭接是否正確，檢驗完成后接通示波器、信號發生器和直流穩壓電源供電電源，開始調試。
7、調試直流穩壓電源，使其輸出+12V、-12V電源，以下圖所表示。
圖3.4 直流穩壓電源
8、調試信號發生器，使其峰峰值為2V，即輸出幅值為1V正弦信號，初始頻率100Hz，調整頻率開始測試其帶寬。
9、調試過程
（1）剛開始調試時，出現了波形失真現象，經檢驗，發覺芯片未插緊，地線連接時夾在了絕緣層上造成未能得出正確波形，經過調整得出了理想波形。
（2）調試時，經過保持輸入信號幅值不變，在輸出不失真情況下，逐步增大輸入信號頻率，到輸出信號為運放輸入信號0.707倍時所對應輸入信號頻率即為fL，依據BW≈fL，既得帶寬。以Auf =4為例，輸出波形圖和帶寬顯示以下圖所表示。
圖3.5 波形輸出（Auf =4）
圖3.6 帶寬顯示（Auf =4）
當Auf=1時，測得帶寬為3.86MHz，以下圖所表示。
圖3.7 帶寬顯示（Auf =1）
10、統計試驗數據。更換電阻Rf為10k，Auf =2；Rf為20k，Auf =3分別調試測量帶寬并統計數據。
11、在面包板上測試完成后，領取洞洞板、插腳等元件，依據原理圖焊接電路，以下圖所表示（取Auf=3，Rf為20k）。
圖3.8 焊接完成電路
12、焊接完成后，使用四路萬用表測試焊點是否牢靠，預防虛焊。將萬用表調至蜂鳴檔，用兩個探針接觸引腳8和正電源插腳，發出蜂鳴聲說明焊點牢靠，其它焊點之間也一樣測試。測試完成后連接電路，驗證效果，連接好電路以下圖所表示。
圖3.9 連接好電路
13、通電后，示波器顯示波形以下圖所表示。電壓峰值為3V，放大了3倍，驗證了電路焊接正確性。
圖3.10 示波器波形
14、調試時，保持輸入信號幅值不變，在輸出不失真情況下，逐步增大輸入信號頻率，到輸出信號為運放輸入信號0.707倍時所對應輸入信號頻率為fL=1.45MHz，帶寬增益積為4.35MHz，以下圖所表示。
圖3.11 帶寬顯示
四、仿真
仿真電路以下圖所表示。搭接電路時，依據試驗線路，在Protues中選擇通用集成運放UA741、電阻可變電阻、正弦信號發生器、電壓探針、示波器、頻域分析圖表等元件。將放大器7和1腳分別接正、負12V電源，同相輸入端（3腳）經過R2接正弦信號，反相輸入端（2腳）經過R1接地，在經過RV1接輸出端（6腳）。完成電路搭接后，添加示波器，并將放大器輸入端、輸出端（6腳）分別接入示波器A、B兩端。添加頻域分析圖表，并在放大器6腳處添加一電壓探針，然后將此測量探針拖入頻域分析圖表中。仿真所需元器件清單以下表所表示。
圖4.1 仿真圖
表2 仿真電路元器件清單
序號
元件
數量
1
運算放大器UA741
1
2
10k電阻
2
3
100k可變電阻
1
4
地線
1
5
±12V電源
2
6
正弦信號發生器
1
7
電壓測量探針
2
8
示波器
1
9
頻域分析圖表
1
仿真步驟以下：
1、試驗采取通用集成運放UA741。調整可變電阻RV1=10K，正弦信號發生器頻率為20Hz，電阻R1=R2=10k。
圖4.2示波器波形
由公式可算出Auf=2。
2、設置頻域分析圖表屬性以下圖所表示。
圖4.3屬性設置
3、點擊頻域分析圖表上框，展開圖表。再點擊運行，圖表顯示以下圖。
圖4.4頻域分析圖表
中頻區約為6dB，我們找出增益下降3dB（約3dB）頻率點，顯示此點處頻率約為505kHz，即帶寬505KHz。
4、保持信號發生器頻率不變，分別設置可變電阻為20K、30K、40K、50K，再反復上述1、2步驟，可得到相對應電壓增益和帶寬。
補充：依據老師提供芯片TL082重新進行仿真，仿真圖以下圖所表示：
圖4.5 TL082仿真圖
仿真結果：
（1）Rf=10k時
圖4.6Auf=2示波器波形
上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1V，藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為2V。能夠得到其放大倍數Auf=2。帶寬顯示以下圖所表示。
圖4.7 Auf=2時幅頻特征曲線(帶寬為2.24M)
（2）Rf=20k時
圖4.8 Auf=3示波器波形
上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1V，藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為3V。能夠得到其放大倍數Auf=3。帶寬顯示以下圖所表示。
圖4.9 Auf=3時幅頻特征曲線(帶寬為1.40M)
（3）Rf=30k時
圖4.10 Auf=4示波器波形
上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1v，藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為4v。能夠得到其放大倍數Auf=4。帶寬顯示以下圖所表示。
圖4.11 Auf=4時幅頻特征曲線(帶寬為1.00M)
（4）Rf=0時
圖4.12 Auf=1示波器波形
上圖中黃色波形表示輸入電壓Vi其幅值為1v，藍色波形表示輸出電壓Vo其幅值為1v。能夠得到其放大倍數Auf=1。帶寬顯示以下圖所表示。
圖4.13 Auf=1時幅頻特征曲線(帶寬為4.75M)
五、試驗設備
試驗時所用儀器設備以下表所表示。
表3試驗設備
序號
設備及元器件
數量
1
直流穩壓電源
1
2
F20A型數字合成函數信號發生器/計數器
1
3
數字雙蹤示波器
1
4
鑷子
1
5
剪刀
1
6
面包板
1
7
數字萬用表
1
8
導線
若干
9
洞洞板
1
10
電烙鐵
1
11
焊錫絲
若干
六、元器件清單
表4元器件清單
序號
設備及元器件
數量
1
10k電阻
3
2
20k電阻
1
3
30k電阻
1
4
運算放大器TL082
1
七、試驗數據及分析
1、仿真數據統計分析以下：
1）采取UA741芯片仿真數據以下表所表示：
表5 放大器增益和帶寬（UA741）
次數
Auf
帶寬BW（kHz）
Auf*BW(kHz)
1
2
505
1010
2
3
335
1005
3
4
252
1008
4
5
199
995
5
6
166
996
2）分析
分析表格中數據能夠得到，電壓增益越大，帶寬越小，而且是非線性減小，帶寬增益積基礎不變，為一定值。
補充：
當采取TL082重新仿真時，統計數據以下表所表示：
表6 放大器增益和帶寬（TL082）
次數
Auf
帶寬BW（MHz）
Auf*BW(MHz)
1
1
4.75
4.75
2
2
2.24
4.48
3
3
1.40
4.20
4
4
1.00
4.00
2、試驗數據統計及分析
表7放大器增益和帶寬測量結果（TL082面包板測試統計）
次數
Auf
帶寬BW（MHz）
Auf*BW(MHz)
1
1
3.86
3.86
2
2
2.00
4.00
3
3
1.35
4.05
4
4
1.05
4.20
分析試驗結果可知，電壓增益越大，帶寬越小，而且是非線性減小，帶寬增益積基礎不變，為一定值，驗證了仿真結果正確性。
取Auf=3，當焊接好電路后，測得帶寬BW=1.45MHz，則帶寬增益積Auf*BW =4.35MHz，和前面測試結果相近，在忽略誤差情況下驗證了試驗電路正確性。
附表 輸出電壓和對應頻率統計（TL082面包板測試）
Auf=2
Auf=3
Auf=4
f（Hz）
U0（V）
f（Hz）
U0（V）
f（Hz）
U0（V）
10K
2.06
10K
3.08
10K
4.00
100K
2.12
100K
3.20
100K
4.24
200K
2.16
200K
3.28
200K
4.32
300K
2.16
300K
3.32
300K
4.36
400K
2.20
400K
3.36
400K
4.40
500K
2.24
500K
3.40
500K
4.32
600K
2.36
600K
3.52
600K
4.32
700K
2.44
700K
3.56
700K
4.12
800K
2.52
800K
3.52
800K
3.76
900K
2.56
900K
3.52
900K
3.36
1M
2.68
1M
3.04
1M
3.04
1.5M
2.04
1.35M
2.12
1.05M
2.82
2M
1.42
2M
1.64
2M
1.12
