运放集成电路基础
一．单运放集成电路LM741
LM741是通用型运算放大器电路，应用很广泛，可以构成各种功能电路，下面是管脚资料和调零电路。
.
LM741引脚图
LM741可通过外接电位器进行调零，如上图b所示。
二．四运放集成电路LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，电路符号与管脚图如图4所示。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。11脚接负电源，4脚接正电源。
图4 LM324电路符号与管脚图
第二章 运放应用电路
一．温度控制电路 1. 实训目的
（1） 学会使用测量放大器;
（2） 学会用基本电路组成实用电路的方法; （3） 学会系统的测量与调试。 2. 实践设备与器材
LM324 一片，稳压管 20W7一只，三极管 9013、8050各1只，负温度系数热敏电阻 1只，电阻、电容、电位器若干，±12 V、+1 V直流稳压电源1台，万用表 1块，数字式温度计 1只，双踪示波器 1台。
3. 实训原理
温度控制电路如实训图1所示，由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等组成。由于温度的不同，因而在测量电桥的A、B点时会产生不同的电压差，这个差值经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压UR比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。改变滞回电压比较器的比较电压UR能改变控温的范围，控温的精度由滞回比较器的滞环宽度确定。
R1
R2
16Ω4. 实训步骤
（1） 按图1连接线路，2W的电阻R16靠近Rt，检查无误后，接通电源。
（2） 标定温度范围，设控制温度范围为t1~t2，标定时将热敏电阻臵于恒温槽中，使恒温槽温度为t1，过几分钟后调整Rp1, 使UC=UD，标定此时Rp1的位臵为t1 。同理可标定温度为t2的位臵。根据控温精度要求，可在t1~ t2之间作若干点，在Rp1上标注相应的温度刻度即可
（3）令B点接地，用电位器压得到-30 mV电压，接入A 点，测量C点电位，计算放大器的电压放大倍数。
（4） 调节A点电位，使之从-0.5 V到+0.5 V范围内缓慢变化，用示波器观察E点的电位变化，记录使E点电位发生正负跳变的值，并绘制滞回特性曲线。
（5） 连接电路构成闭环控温系统，测试温度分别为t 1′、t 2′、t3′时升温和降温的时间。 5. 实训报告
（1） 绘制滞回比较器的滞回特性曲线。
（2） 计算测量放大器的放大倍数，并与实测值比较，计算误差，并找出引起误差的原因。
（3） 若使UD=2 V，则控制温度的范围是升高还是降低？阐明其原因。 三． 运放组成的波形发生器电路装配与调试 1． 训练条件
(1) 通用印制板或通用实验板, 集成运放(741、 324)及相关元器件。 (2) 常用电子仪器及焊接或插接工具。 2． 考核内容
使用集成运算放大器组成的RC正弦波振荡器和滞回比较器, 连接成一个波形发生器, 要求: 能产生正弦波、方波两种波形。 其信号频率为2 kHz, 正弦波的峰值Uom约为7 V, 方波幅值Uopp约为-6～6 V 3． 考核要求
图1 温度控制电路
(1) 进行设计计算, 确定电路方案及元件参数值, 画出电路原理图。
(2) 按图接线, 并进行调试, 直到满足设计要求。 用恰当的仪器进行测量, 记录数据与结果, 并作分析与小结。
(3) 电路设计中,要求正弦波振荡器具有稳幅措施, 方波发生电路要求具有较强的抗干扰能力。
4． 评分标准 表 1 评分标准
5． 思考问题
(1) 正弦波振荡器的稳幅环节是如何确定的, 简述稳幅原理。 (2) 如何估算正弦波信号的输出幅度。
(3) 方波产生电路要求有较强的抗干扰能力,为此, 设计应做何考虑？ 其抗干扰能力约为多少？
(4) 是否有专用集成电路可产生以上两种波形, 简单加以说明。 6． 课题解析 ⑴ 电路确定
参考电路如图1所示, 图中各元器件参数值应根据课题要求对有关参数作设计计算, 进而正确选择元器件以达到课题要求。
图 3 正弦波-方波发生器原理图
图中A1是具有稳幅环节的RC桥式正弦波振荡器, 课题中要求信号频率为2 kHz, 可作设计计算以确定各元件的取值。电路的振荡频率公式为
f=
12πRC
可先将RC串、并联选频网络中的电容C取值为0.01 μF, 再求得电阻R的值, 此处可取8.2 kΩ(标准值)。正弦波的输出幅度Uom 要求约为7 V, 根据电路幅值估算公式
式中,R3′ 是指动态时R3(取3 kΩ左右时)与两个二极管并联后的等效电阻,工程估算值约为1.1 kΩ。当R1也取3 kΩ时求得 R2的值约为8.73 kΩ, 考虑设臵一个调节范围, 此处取10 kΩ的电位器。当然更理想的是可用一个6.2 kΩ的固定电阻和一个5 kΩ的电位器串联来代替10 kΩ的电位器。
A2是根据课题要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。用两个稳定电压为6 V的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7 V之内, 确定R4、R5的大小。 ⑵ 电路调试
计算出电路设计值后, 即可着手装接和调试。不论是插接还是焊接均应保证元器件排列合理、接线正确、接触可靠。 检查电路连接无误后才能通电调试。本电路可先进行分级调, 在二者均能正常工作后再连调。 大致步骤如下:
(1) 调试正弦波振荡器电路, 为满足起振条件, 注意应使负反馈放大器的电压放大倍数为
Av=1+
R2+R3
R1
大于3。用示波器检测该电路的输出波形,调节R2的值, 直至示波器显示正常而稳定的正弦波。 注意: R2太小电路无法起振, 而太大则会失真。
(2) 用示波器测量该电路的振荡频率与输出幅值的大小。 适当修改R、C的数值,以满足频率为2 kHz的要求。微调R2电位器的大小,在保证输出正常波形的条件下获得所需的7 V的输出幅值。
(3) 调试滞回比较器电路。用信号发生器产生一个2 kHz正弦波作为该电路的输入信号,用示波器测量输出波形。适当调节R4、R5的比例直到输出一个方波为止。需注意的是正弦波的幅值应在7 V左右, 由R4、R5分压获得的上、下限阈值电压一定要小于该幅值。 (4) 连调。在各级单元电路调试完毕后, 则可将两者相连, 做总调直到工作正常为止, 进而测量各有关参数。 ⑶ 问题解答 题1简答:
正弦波振荡器的稳幅环节由R3、 VD1和VD2组成。其稳幅原理如下: 起振时, 该振荡波形的幅值Uom很小,不足以使VD1、 VD2导通,即两个二极管均截止, 故三者的等效电阻为R3, 则由设定参数求得的电压放大倍数Av=1+(R2+R3)/R1>3, 符合起振条件, 电路内部形成一个增幅振荡, 输出幅值Uom便随之逐渐增大, 直到使VD1、VD2两个二极管导通, 则三者的等效电路为 Av=1+(R2+R3)/R1稳定振荡状态。同时该稳幅环节起到一个负反馈的稳幅作用, 一旦输出幅值增加, 即有一个自动调节过程: Uom↑→R′3↓→Av↓→Uom↓。 题2简答:
当VD1、VD2导通后,其两端的正向压降约为0.6 V左右, 等效电阻为R3′, 其经验估算值为1.1 kΩ左右, 由输出幅值 Uom的估算公式
Uom=
0.6(R1+R2+R3)
R3
'
'
可估算出正弦波形输出幅值的大小。 题3简答:
为使方波产生电路抗干扰的能力较大, 此处选用的是滞回比较器。 其抗干扰能力即为电路的回差电压
运放集成电路基础
一．单运放集成电路LM741
LM741是通用型运算放大器电路，应用很广泛，可以构成各种功能电路，下面是管脚资料和调零电路。
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LM741引脚图
LM741可通过外接电位器进行调零，如上图b所示。
二．四运放集成电路LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，电路符号与管脚图如图4所示。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。11脚接负电源，4脚接正电源。
图4 LM324电路符号与管脚图
第二章 运放应用电路
一．温度控制电路 1. 实训目的
（1） 学会使用测量放大器;
（2） 学会用基本电路组成实用电路的方法; （3） 学会系统的测量与调试。 2. 实践设备与器材
LM324 一片，稳压管 20W7一只，三极管 9013、8050各1只，负温度系数热敏电阻 1只，电阻、电容、电位器若干，±12 V、+1 V直流稳压电源1台，万用表 1块，数字式温度计 1只，双踪示波器 1台。
3. 实训原理
温度控制电路如实训图1所示，由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等组成。由于温度的不同，因而在测量电桥的A、B点时会产生不同的电压差，这个差值经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压UR比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。改变滞回电压比较器的比较电压UR能改变控温的范围，控温的精度由滞回比较器的滞环宽度确定。
R1
R2
16Ω4. 实训步骤
（1） 按图1连接线路，2W的电阻R16靠近Rt，检查无误后，接通电源。
（2） 标定温度范围，设控制温度范围为t1~t2，标定时将热敏电阻臵于恒温槽中，使恒温槽温度为t1，过几分钟后调整Rp1, 使UC=UD，标定此时Rp1的位臵为t1 。同理可标定温度为t2的位臵。根据控温精度要求，可在t1~ t2之间作若干点，在Rp1上标注相应的温度刻度即可
（3）令B点接地，用电位器压得到-30 mV电压，接入A 点，测量C点电位，计算放大器的电压放大倍数。
（4） 调节A点电位，使之从-0.5 V到+0.5 V范围内缓慢变化，用示波器观察E点的电位变化，记录使E点电位发生正负跳变的值，并绘制滞回特性曲线。
（5） 连接电路构成闭环控温系统，测试温度分别为t 1′、t 2′、t3′时升温和降温的时间。 5. 实训报告
（1） 绘制滞回比较器的滞回特性曲线。
（2） 计算测量放大器的放大倍数，并与实测值比较，计算误差，并找出引起误差的原因。
（3） 若使UD=2 V，则控制温度的范围是升高还是降低？阐明其原因。 三． 运放组成的波形发生器电路装配与调试 1． 训练条件
(1) 通用印制板或通用实验板, 集成运放(741、 324)及相关元器件。 (2) 常用电子仪器及焊接或插接工具。 2． 考核内容
使用集成运算放大器组成的RC正弦波振荡器和滞回比较器, 连接成一个波形发生器, 要求: 能产生正弦波、方波两种波形。 其信号频率为2 kHz, 正弦波的峰值Uom约为7 V, 方波幅值Uopp约为-6～6 V 3． 考核要求
图1 温度控制电路
(1) 进行设计计算, 确定电路方案及元件参数值, 画出电路原理图。
(2) 按图接线, 并进行调试, 直到满足设计要求。 用恰当的仪器进行测量, 记录数据与结果, 并作分析与小结。
(3) 电路设计中,要求正弦波振荡器具有稳幅措施, 方波发生电路要求具有较强的抗干扰能力。
4． 评分标准 表 1 评分标准
5． 思考问题
(1) 正弦波振荡器的稳幅环节是如何确定的, 简述稳幅原理。 (2) 如何估算正弦波信号的输出幅度。
(3) 方波产生电路要求有较强的抗干扰能力,为此, 设计应做何考虑？ 其抗干扰能力约为多少？
(4) 是否有专用集成电路可产生以上两种波形, 简单加以说明。 6． 课题解析 ⑴ 电路确定
参考电路如图1所示, 图中各元器件参数值应根据课题要求对有关参数作设计计算, 进而正确选择元器件以达到课题要求。
图 3 正弦波-方波发生器原理图
图中A1是具有稳幅环节的RC桥式正弦波振荡器, 课题中要求信号频率为2 kHz, 可作设计计算以确定各元件的取值。电路的振荡频率公式为
f=
12πRC
可先将RC串、并联选频网络中的电容C取值为0.01 μF, 再求得电阻R的值, 此处可取8.2 kΩ(标准值)。正弦波的输出幅度Uom 要求约为7 V, 根据电路幅值估算公式
式中,R3′ 是指动态时R3(取3 kΩ左右时)与两个二极管并联后的等效电阻,工程估算值约为1.1 kΩ。当R1也取3 kΩ时求得 R2的值约为8.73 kΩ, 考虑设臵一个调节范围, 此处取10 kΩ的电位器。当然更理想的是可用一个6.2 kΩ的固定电阻和一个5 kΩ的电位器串联来代替10 kΩ的电位器。
A2是根据课题要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。用两个稳定电压为6 V的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7 V之内, 确定R4、R5的大小。 ⑵ 电路调试
计算出电路设计值后, 即可着手装接和调试。不论是插接还是焊接均应保证元器件排列合理、接线正确、接触可靠。 检查电路连接无误后才能通电调试。本电路可先进行分级调, 在二者均能正常工作后再连调。 大致步骤如下:
(1) 调试正弦波振荡器电路, 为满足起振条件, 注意应使负反馈放大器的电压放大倍数为
Av=1+
R2+R3
R1
大于3。用示波器检测该电路的输出波形,调节R2的值, 直至示波器显示正常而稳定的正弦波。 注意: R2太小电路无法起振, 而太大则会失真。
(2) 用示波器测量该电路的振荡频率与输出幅值的大小。 适当修改R、C的数值,以满足频率为2 kHz的要求。微调R2电位器的大小,在保证输出正常波形的条件下获得所需的7 V的输出幅值。
(3) 调试滞回比较器电路。用信号发生器产生一个2 kHz正弦波作为该电路的输入信号,用示波器测量输出波形。适当调节R4、R5的比例直到输出一个方波为止。需注意的是正弦波的幅值应在7 V左右, 由R4、R5分压获得的上、下限阈值电压一定要小于该幅值。 (4) 连调。在各级单元电路调试完毕后, 则可将两者相连, 做总调直到工作正常为止, 进而测量各有关参数。 ⑶ 问题解答 题1简答:
正弦波振荡器的稳幅环节由R3、 VD1和VD2组成。其稳幅原理如下: 起振时, 该振荡波形的幅值Uom很小,不足以使VD1、 VD2导通,即两个二极管均截止, 故三者的等效电阻为R3, 则由设定参数求得的电压放大倍数Av=1+(R2+R3)/R1>3, 符合起振条件, 电路内部形成一个增幅振荡, 输出幅值Uom便随之逐渐增大, 直到使VD1、VD2两个二极管导通, 则三者的等效电路为 Av=1+(R2+R3)/R1稳定振荡状态。同时该稳幅环节起到一个负反馈的稳幅作用, 一旦输出幅值增加, 即有一个自动调节过程: Uom↑→R′3↓→Av↓→Uom↓。 题2简答:
当VD1、VD2导通后,其两端的正向压降约为0.6 V左右, 等效电阻为R3′, 其经验估算值为1.1 kΩ左右, 由输出幅值 Uom的估算公式
Uom=
0.6(R1+R2+R3)
R3
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可估算出正弦波形输出幅值的大小。 题3简答:
为使方波产生电路抗干扰的能力较大, 此处选用的是滞回比较器。 其抗干扰能力即为电路的回差电压