实验
集成运放的应用--集成对数运算电路
学时 1
实验介绍 实验指南 实验资料

一、实验目的

1.  掌握在分析运算电路时“虚短”、“虚断”的概念;

2.  掌握集成运算放大器的基本特性及测量方法;

3.  熟悉集成对数运算电路的基本结构和工作原理;

4.  掌握运算放大器和示波器的使用方法。

二、实验仪器

1.  VCC

2.  Ground

3.  三角波电压源

4.  普通电阻

5.  虚拟NPN晶体管

6.  三端虚拟放大器

7.  泰克示波器TBS1102

三、实验原理

1.   集成运算放大器基本特性

集成运算放大器符号如图1所示。


1 集成运放的电器符号

设运算放大器“+”和“-”两输入端输入信号分别为u+u-,它们的差为uid=u+ - u-,输出信号为uo,则集成运放的电压传输特性如图2所示。


2 集成运放的电压传输特性

由图2a)集成运放的实际电压传输特性知,集成运放可工作在线性区(|uid|<Uim)和非线性区(|uid|≥Uim)。在线性区,曲线的斜率为电压放大倍数Aud;在非线性区只有两种电压输出。通常集成运算放大器电压增益极高,所以线性区曲线的斜率极为陡峭,即使输入毫伏级以下的信号,也足以使输出电压饱和。

2b)为集成运放的理想电压传输特性,该理想电压传输特性显示了运算放大器作为电压比较器的工作方式,可用于判别u+u-电位的大小。

由集成运放的电压传输特性可知:集成运放的工作方式有两种,其一为线性放大方式,在此方式下,为保证输入一定范围电压信号的线性放大,必须减小运算放大器的电压增益,因此集成运算放大器必须工作在负反馈状态下;其二为电压比较器方式,此时运算放大器必须工作在开环或正反馈状态。

2.   集成运算放大器的“虚断”、“虚短”原则

理想集成运算放大器特性如下:①开环电压增益为无穷大;②输入阻抗为无穷大;③输出阻抗为0;④带宽为无穷大;⑤共模抑制比为无穷大;⑥输入偏置电流为0;⑦输入失调电压、输入失调电流及它们的漂移均为0

基于上述理想运放的基本特性,在进行电路分析时,要灵活应用“虚短”、“虚断”两个原则。

1)“虚短”原则

理想运算放大器工作在线性状态时有:uo=Aud (u+ - u-),而Aud→∞,所以

u+ - u- =uo/Aud 0

上式表明,理想运算放大器工作在线性放大方式时,同相输入端的电位u+与反相输入端电位u-一样,好似它们两者“短路”一样。

理想运算放大器工作在非线性状态时,因为uoAud (u+ - u-),则u+ u-

“虚短”表示理想运放工作在线性状态时两输入端的电位相等。当某一个输入端的实际电位为“地”电位时,另一端可称之为“虚地”。

“虚短”原则只适用于运算放大器的线性应用状态,即运算放大器工作在负反馈状态下。

2)“虚断”原则

由于理想运放的输入阻抗为无穷大,因此运放的两个输入端无电流流进(流出),如同两个输入端从运算放大器中“断开”了一样。

该法则适用于理想运放的所有工作状态(线性和非线性工作状态)。

3.   集成运放的应用—集成对数运算电路

利用PN结伏安特性具有的指数规律,将二极管或三极管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路,可以实现对数运算和指数运算。

二极管或三级管的对数运算电路均存在以下缺点:

ui必须大于0,输出电压uo不超过0.7V

②因为UTIS是温度的函数,故对数运算精度受温度的影响较大;

③小信号与1相差不大,因此误差大

④大电流时,发射结伏安特性的指数特点不明显,故二极管或三极管对数运算电路只有在小电流时成立。

在上述分析下,搭建集成对数运算电路,根据差分电路的基本原理,利用特性相同的两个晶体管进行补偿,消去IS对运算关系的影响。其电路图如图3所示。

                                                          

3 集成对数运算电路

根据“虚短”、“虚断”原则,及节点电流方程,得到:


整理得到:


从上式可以看出,集成对数运算电路增大了输出信号的动态范围。若R5为热敏电阻,且具有正温度系数,即当温度升高时,R5阻值增大,使得放大倍数(1+ R2/ R5)减小,以补偿UT的增大,使uoui不变时基本不变。

您还没有登录,请先登录
您还没有登录,请先登录