一、实验目的

1. 熟悉在分析运算电路时“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. 掌握减法器的基本结构和工作原理。

二、实验仪器

1. VSS

2. VCC

3. Ground

4. 交流电压源

5. 普通电阻

6. 运算放大器 UA741CD

7. 交流电压表

8. 四通道示波器

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。

图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₊和u_-，它们的差为u_id=u₊ - u_-，输出信号为u_o，则集成运放的电压传输特性如图2所示。

                                                                    （a）实际电压传输特性                                                                  （b）理想电压传输特性

    
                                                                                                                             图2 集成运放的电压传输特性

由图2（a）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（|u_id|<U_im）和非线性区（|u_id|≥U_im）。在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数A_ud；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。

图2（b）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₊和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：u_o=A_ud (u₊ - u_-)，而A_ud→∞，所以

u₊ - u_- =u_o/A_ud →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u_o≠A_ud (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.信号的基本运算单元--减法器

在信号的处理运算单元中，常用的有：加法器、减法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器等，通过这些基本运算单元可以构建十分复杂的信号处理系统。下面对减法器的功能进行说明。

减法器电路如图3所示。

图3  减法器电路原理图

由“虚短”和“虚断”的定义可知：

u_n=u_p

列出节点电压方程得到：

整理后得：

当R₁=R₂=R₃=R_f时，上式化简为：

u_o=u_i2-u_i1