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一、实验目的

⒈ 获得运算放大器和有源器件的感性认识。 ⒉ 学习含有运算放大器电路的分析方法。 ⒊ 掌握受控源转移参数的测试方法。

二、原理与说明

⒈ 运算放大器

运算放大器（简称运放）是一种高增益（可达几万倍甚至更高）、高输入电阻、低输出电阻的放大器。运放是一种有源多端元件，图6-1（a）表示它的电路图形符号。

EOiaiaibiouaubE(a)ibuouaubuoA(ubua)(b)图6-1 运算放大器及其电路模型

(c)

图6-1（b）表示它的电路符号。运放有两个输入端a、b和一个输出端O 。电源端子E和E连接直流偏置电压，以维持运放内部晶体管正常工作。E端接正电压、E端接负电压，这里电压的正负是对“地”或公共端而言的。运放的工作特性是在接有正、负电源（工作电压）的情况下才具有的。运放的两个输入端中，一个是同相输入端，另一个是反相输入端。其中：“+”端称为同相输入端，即：信号从同相输入端输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性相同。“-”端称为反相输入端，即：信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号对参考地线端来说极性相反。如果运放工作在线性区，“+”、“-”端分别接输入电压ub、ua，则输出端电压uoAo(ubua)。其中Ao是运放的开环放大倍数。

在理想情况下，Ao和输入电阻Rin为无穷大，而输出电压uo是一个有限的数值，故可知ubuauo，因此有： Aoub

ua

1

ibiaubRinuaRin0 0上式表明：

⑴ 运算放大器的“+”端与“-”端之间等电位，即：u路”。

⑵ 运算放大器的输入端电流等于零，即：iau，通常称为“虚短

ib0，通常称为“虚断路”。

此外，理想运算放大器的输出电阻为零。这些重要性质是简化分析含有运算放大器网络的依据。

运算放大器的电路模型为受控源，如图6-1（c）所示。在它的外部接入不同的电路元件，可以实现信号的模拟运算或模拟变换，它的应用极其广泛。含有运算放大器的电路是一种有源网络，在电路实验中主要研究它的端口特性以了解其功能。

⒉ 受控源

受控源与电源不同，电源的电动势或电流是某一固定数值或某一时间函数，不随电路其余部分的状态而改变，如理想电压源的电压不随其输出电流而改变，理想电流源的输出电流与其端电压无关。电源作为电路的输入，它代表了外界对电路的作用。受控源的电动势或电流则随网络中另一支路的电流或电压（称为控制量）而变化。受控源又与无源元件不同，无源元件的电压和它自身的电流有一定的函数关系，而受控源的电压或电流则和另一支路（或元件）的电流或电压有某种函数关系。

受控源可以用运算放大器来实现。受控源分受控电压源和受控电流源两类。而每一类按控制量不同又分电压控制与电流控制两种，所以受控源有四种类型，即：电压控制电压源（VCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电压源（CCVS）和电流控制电流源（CCCS）。

（1 ）电压控制电压源（VCVS），如图6-2 (a) 所示。 由于运算放大器的“+”和“-”端为虚短路，有uaubu1 故

iR2uaR2u1 R2又因 iR1所以 u2iR1R1iR2R2iR2(R1iR2 R2)u1(R1R2R2)(1R1)u1 R2运算放大器的输出电压u2受输入电压的控制，它的电路模型如图6-2（b）所示，其电压比:

u2u11R1 R2 2

（µ无量纲），又称为电压放大系数。该电路是一个同相比例放大器，其输入和输出端有公共接地点，这种连接方式称为共地连接。

ubuau1iR2R2iR1R1u2u1u1u2(a) 电压控制电压源(b) VCVS 电路模型

图6-2 用运算放大器实现的VCVS电路

⑵ 电压控制电流源（VCCS），如图6-3（a）所示。

ubuau1RiSRLu2u1gu1iR(a)电压控制电流源(b) VCCS 电路模型

图6-3 用运算放大器实现的VCCS电路

电路中运算放大器的输出电流为：

isiRuaRu1 R即is只受运算放大器输入电压u1的控制，与负载电阻RL无关。图6-3（b）是它的电路模型。比例系数为：gisu11 ,g具有电导的量纲，称为转移电导。图6-3（a）电路中，R输入、输出无公共接地点，这种联接方式称为浮地联接。

⑶ 电流控制电压源（CCVS），如图6-4（a）所示。

由于运算放大器的“+”端接地，即ub0，所以“-”端电压ua也为零。在这种情况下，运算放大器的“-”端称为“虚地点”。显然,流过电阻R的电流即为网络输入端口电流i1。运算放大器的输出电压u2

i1R,它受电流i1所控制。图6-4（b）是它的电路模

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型。其比例系数为:

ru2i1R

r具有电阻的量纲，称为转移电阻，联接方式为共地联接。

i1i1uaubu2ri1Ri1u2(a) 电流控制电压源(b) CCVS 电路模型

图6-4 用运算放大器实现的CCVS电路

⑷ 电流控制电流源（CCCS），如图6-5（a）电路所示。 由于运算放大器的同相输入端“+”接地，根据“虚短路”、“虚断路”特性可知，“-”端为虚地，电路中a点的电压为：

uaiR1R1uaR2i1i1R1uaiR1R1uaR2i1i1R1R1 R2又：

iR2R1 所以：

iR2R2即输出电流i2受网络输入端口电流i1的控制，与负载电阻RL无关。图6-5（b）是它的电路模型，其电流比为：ai2i1iR11R1，a无量纲，又称为电流放大系数。这个电路实际R2a上起着电流放大的作用，联接方式为浮地联接。

R1i2RLi1u2i1iR2R2ai1(a) 电流控制电流源 (b) CCCS 电路模型

图6-5 用运算放大器实现的CCCS电路

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三、实验内容及步骤

用受控源实验板测试电压控制电压源、电压控制电流源、电流控制电压源和电流控制电流源这四种基本线性受控源的特性。

⑴ 给有源器件运算放大器提供工作电源的接线方法：

可调直流稳压稳流电流R4.7KΩ+5V5V(b)U1-15V(a)+15V

图6-6 实现电源±15V和1.5V的接线图

接线前，先将直流稳压电源的两路可调输出电压分别调至15V，然后关断其电源开关，按图6-6（a）接线。可得到+15V、-15V、地线三组电源线，分别接入受控源实验板相应的位置上。

⑵ 给受控源实验电路提供直流电源激励（输入）的接线方法：

用直流稳压电源的固定+5V输出端和电阻器实验板上的电位器组成一个分压电路，如图6-6 (b) ，可调电压U1作为受控源实验电路的激励电源。

1. 测试电压控制电压源（VCVS）和电压控制电流源（VCCS）的特性 ① 用受控源实验板中的第一个电路如图6-7所示。

先不接入电源U1，将运算放大器“+”端对地短路，然后接通运算放大器供电电源，这时如果U20，IS0，则说明运放工作正常。

② 拆除步骤 ① 中的短路线，接 入电源U1，将R1调为1KΩ，按表6-1给 出的U1值，逐一测量Is及u1值，并记录 在表6-1中。

图6-7 电压控制电压源和电压控制电流源

U1R21kΩmAIs5kΩR1(RL)U2

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表6-1 R1 = 1KΩ 给定值 VCVS U1 （V） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 测U2 量(V) 值 计算值 理论值   Is VCCS 测量值 计算值 (mA) g (mS) 理g 论(mS) 值

③ 保持U1为1.5V，按表6-2所给阻值改变R1（即RL）,分别测量出U2及Is值， 并记录在表6-2中。

表6-2 U1 = 1.5V 给定值 VCVS R1 (kΩ) 1 2 3 4 5 测量值 U2（V）计算值 理论值   VCCS 测量值 IS（mA）g(mS) 理论值 g(mS) 计算值 6

2. 测试电流控制电压源（CCVS）的 特性

用受控源实验板中的第二个电路如图 6-8所示。按图6-8接线，并将给运放提供 工作电压的那组电源线从第一个电路移到第二个电路。

① 保持US为1.5V，将R调为1KΩ， 按表6-3所给出的R1值，逐一测量出及U2 R5kΩR15kΩI1mAU2 图6-8 电流控制电压源

值，并记录在表6-3中。

表6-3 R= 1KΩ US=1.5V 给定值 CCVS

②保持US为1.5V，将R1调为1KΩ，按表6-4所给出的R值，逐一测量出I1及U2， 并记录在表6-4中。

表6-4 R1= 1K给定值 测量值 计算值 理论值

US= 1.5V

R(KΩ) R1(KΩ) I1 (mA) 1 2 3 4 5 测量值 U2 (V) 计算值 理论值 r(KΩ) r((KΩ) 1 2 3 4 5 I1 (mA) U2(V) CCVS r((KΩ) r((KΩ) 7

3. 测试电流控制电流源（CCCS）的 特性

用受控源实验板中的第三个电路如图 6-9所示。接线步骤同2。

① 保持输入电压US为1.5V，将R1 调为3KΩ，按表6-5所给出的RL值，逐一 测量出I1及I2值，并记录在表6-5中。

R21kΩI2mAR14.7kΩI14.7kΩmARLUsR21kΩR3

图6-9 电流控制电流源

表6-5 R1= 3KΩ US= 1.5V 给定值 CCCS

表6-6 RL= 1K给定值 CCCS 测量值 US= 1.5V

3 2.5 2 1.5 1 测量值 RL(KΩ) 0 I1 (mA) I2 (mA) 500 2K 3K R1(KΩ) I1(mA) I2(mA) ② 保持输入电压US为1.5V，将RL调为1KΩ，然后按表6-6所给出R1的值，逐一测量出I1和I2值。

四、注意事项

⒈ 运算放大器必须外接±15V、地线这三组工作电压才能正常工作。接线时极性不

能接错，检查接线无误后才能打开直流稳压电源的开关。

⒉ 更换受控源电路前，首先要关掉直流稳压电源的开关，然后再换接电路。 ⒊ 实验中，受控源中的运算放大器输出端不能与地端短接。

⒋ 受控源输入电压保持1.5V不变是指每改变一次电阻值都要监测受控源的输入电

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压是否是1.5V，如有变化，要调至1.5V。

五、预习与思考

⒈ 学习运算放大器及受控源的有关理论知识。

⒉ 受控源与电源的区别是什么？

⒊ 根据所给实验电路，将计算出的理论值填 入各个表中。

⒋ 图6-10所示运算放大器工作在线性区， 试判断电路中I1是否等于I2，为什么？（E、E为US2VE1IaIbI11KΩE2I21KΩ运放供电电源）。

六、实验报告要求

⒈ 整理各组实验数据，由各组数据可得到

什么结论？将实测的参数与理论值进行比较。 图6-10

⒉ 根据表6-3和表6-4的测试数据，说明电压控制电流源的受控特性是什么?负载特性是什么？

⒊ 回答：复习与思考中题2和题3。

七、实验设备

⒈ DF1731SB可调直流稳压、稳流电源（三路） 一台； ⒉ HG1943A型直流数字电流表 一台； ⒊ DT9205型数字万用表 一块； ⒋ 受控源实验板 TX-LN0533 32 一块； ⒌ 电阻器实验板 TX-LN0533 08 一块； ⒍ 电流测试插孔板及测试线 TX-LN0533 41 一套； ⒎ 导线若干。

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