集成运放同相放大器带宽测量设计与仿真实验报告

集成运放同相放大器带宽测量（设计和仿真）试验汇报

一、试验目标

1、熟悉放大器幅频特征测量方法。

2、掌握集成运算放大器带宽和电压放大倍数关系。

3、了解掌握Proteus软件基础操作和应用。

二、试验线路及原理

1、试验原理

（1）同相放大器

同相放大器又称同相百分比运算放大器，其基础形式图2.1所表示。输入信号Ui经R2加至集成运放同相端。Rf为反馈电阻，输出电压经Rf及R1组成分压电路，取R1上分压作为反馈信号加至运放反相输入端，形成了深度电压串联负反馈。R2为平衡电阻，其值为R2=R1//Rf。电压放大倍数为。输出电压和输入电压相位相同，大小成百分比关系。百分比系数（即电压放大倍数）等于1+Rf/R1,和运放本身参数无关。

图2.1 同相放大器 图2.2 某放大电路幅频特征

（2）基础概念

1）带宽

运放带宽是表示运放能够处理交流小信号能力。运放带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理信号频率范围，带宽越高，能处理信号频率越高，高频特征就越好，不然信号就轻易失真。

图2.2所表示为某放大电路幅频响应，中间一段是平坦，即增益保持不变，称为中频区（也称通带区）。在fL和fH两点增益分别下降3dB，而在低于fL和高于fH两个区域，增益随频率远离这两点而下降。在输入信号幅值保持不变条件下，增益下降3dB频率点，其输出功率约等于中频区输出功率二分之一，通常称为半功率点。通常把幅频响应高、低两个半功率点间频率定义为放大电路带宽或通频带，即BW=fH-fL。式中fH是频率响应高端半功率点，也称为上限频率，而fL则称为下限频率。通常有fL<<fH，故有BW≈fH。

2）单位增益带宽

运放闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放输入端，伴随输入信号频率不停变大，输出信号增益将不停减小，当从运放输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号0.707）时，所对应信号频率乘以闭环放大倍数1所得增益带宽积。单位增益带宽是一个很关键指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率和该频率下最大增益乘积。

3）电压增益G

电压增益表示是放大电路对输入信号放大能力，使用表示方法是分贝表示法，其定义为：Gu=20lg（Uo/Ui）=20lgAu，单位是分贝，用符号dB表示。

4）放大器幅频特征

放大电路输出信号幅度和相位，会伴随信号频率改变发生改变，通常来说，在放大电路低频段和高频段和中频段相比，信号幅度会下降，也会产生一定相移。这就是放大电路频率特征，它分为幅频特征和相频特征两方面。幅频特征是描绘输入信号幅度固定，输出信号幅度随频率改变而改变规律。

5）带宽增益积

这是衡量放大器性能一个参数，表示增益和带宽乘积，这个乘积是一定。

6）本试验选择集成运放芯片UA741，引脚图以下图所表示。

图2.3 UA741引脚图

引脚作用为：

1、5脚为调零端；2脚为反相输入端；3脚为同向输入端；4较为负电源V-；

6脚为输出OUT；7脚为正电源V+；8脚空。

2、试验线路

图2.4 试验线路

三、试验内容及步骤

1、检验试验设备是否齐全，包含直流稳压电源、数字信号发生器、双踪示波器、万用表和对应电源线、输出线等，领取镊子、剪刀各一把，面包板一块，导线若干。

2、依据老师所发集成运放芯片TL082CN查阅芯片引脚图以下图所表示。

图3.1 TL082CN引脚图

芯片引脚功效以下表所表示。

表1 TL082CN引脚功效

3、确定测试放大倍数Auf为2、3、4时三组试验数据，选择R1=R2=10k，Rf分别为10k，20k，30k，依据原理图和芯片引脚图搭接电路，同时注意走线平整、美观。

4、开始搭接电路，首先在面包板上搭接同相放大电路。

（1）将芯片TL082CN插在面包板上，注意引脚编号。

（2）在引脚8引出+12V电源线，引脚4引出-12V电源线，引脚1经过30k电阻（即Rf）接引脚2，同时引脚1引出一根信号线接示波器，引脚2经10k电阻接地，地线引出，引脚3经10k电阻引出一根信号线接信号发生器。以下图所表示。

图3.2 面包板接线图

5、连接示波器、直流稳压电源、信号发生器和面包板上电路，将面包板上引出+12V、-12V电源线及地线和直流稳压电源相连，将示波器、信号发生器和引出对应信号线连接，并将示波器、信号发生器和直流稳压电源共地，以下图所表示。

图3.3 整体接线图

6、搭接电路完成，检验电路搭接是否正确，检验完成后接通示波器、信号发生器和直流稳压电源供电电源，开始调试。

7、调试直流稳压电源，使其输出+12V、-12V电源，以下图所表示。

图3.4 直流稳压电源

8、调试信号发生器，使其峰峰值为2V，即输出幅值为1V正弦信号，初始频率100Hz，调整频率开始测试其带宽。

9、调试过程

（1）刚开始调试时，出现了波形失真现象，经检验，发觉芯片未插紧，地线连接时夹在了绝缘层上造成未能得出正确波形，经过调整得出了理想波形。

（2）调试时，经过保持输入信号幅值不变，在输出不失真情况下，逐步增大输入信号频率，到输出信号为运放输入信号0.707倍时所对应输入信号频率即为fL，依据BW≈fL，既得带宽。以Auf =4为例，输出波形图和带宽显示以下图所表示。

图3.5 波形输出（Auf =4）

图3.6 带宽显示（Auf =4）

当Auf=1时，测得带宽为3.86MHz，以下图所表示。

图3.7 带宽显示（Auf =1）

10、统计试验数据。更换电阻Rf为10k，Auf =2；Rf为20k，Auf =3分别调试测量带宽并统计数据。

11、在面包板上测试完成后，领取洞洞板、插脚等元件，依据原理图焊接电路，以下图所表示（取Auf=3，Rf为20k）。

图3.8 焊接完成电路

12、焊接完成后，使用四路万用表测试焊点是否牢靠，预防虚焊。将万用表调至蜂鸣档，用两个探针接触引脚8和正电源插脚，发出蜂鸣声说明焊点牢靠，其它焊点之间也一样测试。测试完成后连接电路，验证效果，连接好电路以下图所表示。

图3.9 连接好电路

13、通电后，示波器显示波形以下图所表示。电压峰值为3V，放大了3倍，验证了电路焊接正确性。

图3.10 示波器波形

14、调试时，保持输入信号幅值不变，在输出不失真情况下，逐步增大输入信号频率，到输出信号为运放输入信号0.707倍时所对应输入信号频率为fL=1.45MHz，带宽增益积为4.35MHz，以下图所表示。

图3.11 带宽显示

四、仿真

仿真电路以下图所表示。搭接电路时，依据试验线路，在Protues中选择通用集成运放UA741、电阻可变电阻、正弦信号发生器、电压探针、示波器、频域分析图表等元件。将放大器7和1脚分别接正、负12V电源，同相输入端（3脚）经过R2接正弦信号，反相输入端（2脚）经过R1接地，在经过RV1接输出端（6脚）。完成电路搭接后，添加示波器，并将放大器输入端、输出端（6脚）分别接入示波器A、B两端。添加频域分析图表，并在放大器6脚处添加一电压探针，然后将此测量探针拖入频域分析图表中。仿真所需元器件清单以下表所表示。

图4.1 仿真图

表2 仿真电路元器件清单

序号

元件

数量

1

运算放大器UA741

1

2

10k电阻

2

3

100k可变电阻

1

4

地线

1

5

±12V电源

2

6

正弦信号发生器

1

7

电压测量探针

2

8

示波器

1

9

频域分析图表

1

仿真步骤以下：

1、试验采取通用集成运放UA741。调整可变电阻RV1=10K，正弦信号发生器频率为20Hz，电阻R1=R2=10k。

图4.2示波器波形

由公式可算出Auf=2。

2、设置频域分析图表属性以下图所表示。

图4.3属性设置

3、点击频域分析图表上框，展开图表。再点击运行，图表显示以下图。

图4.4频域分析图表

中频区约为6dB，我们找出增益下降3dB（约3dB）频率点，显示此点处频率约为505kHz，即带宽505KHz。

4、保持信号发生器频率不变，分别设置可变电阻为20K、30K、40K、50K，再反复上述1、2步骤，可得到相对应电压增益和带宽。

补充：依据老师提供芯片TL082重新进行仿真，仿真图以下图所表示：

图4.5 TL082仿真图

仿真结果：

（1）Rf=10k时

图4.6Auf=2示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1V，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为2V。能够得到其放大倍数Auf=2。带宽显示以下图所表示。

图4.7 Auf=2时幅频特征曲线(带宽为2.24M)

（2）Rf=20k时

图4.8 Auf=3示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1V，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为3V。能够得到其放大倍数Auf=3。带宽显示以下图所表示。

图4.9 Auf=3时幅频特征曲线(带宽为1.40M)

（3）Rf=30k时

图4.10 Auf=4示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1v，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为4v。能够得到其放大倍数Auf=4。带宽显示以下图所表示。

图4.11 Auf=4时幅频特征曲线(带宽为1.00M)

（4）Rf=0时

图4.12 Auf=1示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1v，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为1v。能够得到其放大倍数Auf=1。带宽显示以下图所表示。

图4.13 Auf=1时幅频特征曲线(带宽为4.75M)

五、试验设备

试验时所用仪器设备以下表所表示。

表3试验设备

序号

设备及元器件

数量

1

直流稳压电源

1

2

F20A型数字合成函数信号发生器/计数器

1

3

数字双踪示波器

1

4

镊子

1

5

剪刀

1

6

面包板

1

7

数字万用表

1

8

导线

若干

9

洞洞板

1

10

电烙铁

1

11

焊锡丝

若干

六、元器件清单

表4元器件清单

序号

设备及元器件

数量

1

10k电阻

3

2

20k电阻

1

3

30k电阻

1

4

运算放大器TL082

1

七、试验数据及分析

1、仿真数据统计分析以下：

1）采取UA741芯片仿真数据以下表所表示：

表5 放大器增益和带宽（UA741）

次数

Auf

带宽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

分析表格中数据能够得到，电压增益越大，带宽越小，而且是非线性减小，带宽增益积基础不变，为一定值。

补充：

当采取TL082重新仿真时，统计数据以下表所表示：

表6 放大器增益和带宽（TL082）

次数

Auf

带宽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、试验数据统计及分析

表7放大器增益和带宽测量结果（TL082面包板测试统计）

次数

Auf

带宽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

分析试验结果可知，电压增益越大，带宽越小，而且是非线性减小，带宽增益积基础不变，为一定值，验证了仿真结果正确性。

取Auf=3，当焊接好电路后，测得带宽BW=1.45MHz，则带宽增益积Auf*BW =4.35MHz，和前面测试结果相近，在忽略误差情况下验证了试验电路正确性。

附表 输出电压和对应频率统计（TL082面包板测试）

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