集成电路原理及应用实验指导书山东理工大学电气与电子工程学院
集成电路原理及应用 实验指导书 山东理工大学 电气与电子工程学院
目录《集成电路原理及应用》实验箱使用说明实验一集成运放参数测试。3实验二积分电路和微分电路（uA741）U实验三电压比较器（LM311）..12实验四函数信号发生器（ICL8038）15
目 录 《集成电路原理及应用》实验箱使用说明.1 实验一 集成运放参数测试.3 实验二 积分电路和微分电路（μA741）. 9 实验三 电压比较器（LM311）.12 实验四 函数信号发生器（ICL8038）.15
《集成电路原理及应用》实验箱使用说明《集成电路原理及应用》实验箱是为了配合高等院校师生学习《集成电路原理及应用》课程而制作的，它包括了课程的基本教学实验内容。通过这些实验，对加深课程内容理解将会有很大的帮助。也可在该实验箱的基础上自行开发，掌握更多的实际应用电路，为将来读研究生和走向工作岗位，打下良好的基础。高校教师还可用该实验箱培训学生参加全国大学生电子设计竞赛。实验箱组成《集成电路原理及应用》实验箱由实验箱底板、八个实验模块、单片机控制模块、键盘模块和显示模块组成。八个实验模块分别是实验一至实验八的八个实验。如图一所示，是集成电路原理及应用实验箱面板图。显示模块单片机控制模块电源模块A/D和D/A模块键盘模块图一集成电路原理及应用实验箱面板图在实验箱面板图中，电源模块、单片机控制模块、显示模块、A/D和D/A模块、键盘模块，这五个模块的位置是固定的。其余模块如：集成运放参数测试、积分电路和微分电路、电压比较器、U/F变换器和F/U比较器、函数信号发生器和集成有源滤波器等六个实验模块，可根据实验需要，安装在JP11、JP12、JP13、JP14、JP15插口上。实验箱使用说明二。实验箱的左侧有220V电源线接口及电源开关，使用时，插上电源接线，闭合电源开关。220V交流电加到电源模块上，电源模块工作，可提供+5V、±12V、±15V、0～30V的直流电压。八个实验模块要正常工作，均需直流电压。做实验时，先将实验模块安装到实验箱底板上。每个实验模块上都配有直流电源开关，将开关打在ON位置，相应的电源指示灯点亮，可按照实验要求，开始做实验。实验结束后，将实验模块上的直流电源开关打在OFF位置，将实验箱左侧的220V电源开关断开
《集成电路原理及应用》实验箱使用说明 《集成电路原理及应用》实验箱是为了配合高等院校师生学习《集成电路原理及应用》 课程而制作的，它包括了课程的基本教学实验内容。通过这些实验，对加深课程内容理解将 会有很大的帮助。也可在该实验箱的基础上自行开发，掌握更多的实际应用电路，为将来读 研究生和走向工作岗位，打下良好的基础。高校教师还可用该实验箱培训学生参加全国大学 生电子设计竞赛。 一． 实验箱组成 《集成电路原理及应用》实验箱由实验箱底板、八个实验模块、单片机控制模块、键盘 模块和显示模块组成。八个实验模块分别是实验一至实验八的八个实验。 如图一所示，是集成电路原理及应用实验箱面板图。 电源模块 单片机控制模块 显示模块 A/D和D/A模块 键盘模块 JP11 JP12 JP13 JP14 JP15 JP16 JP1 JP2 JP3 JP4 JP5 JP6 JP7 JP8 JP9 JP10 图一 集成电路原理及应用实验箱面板图 在实验箱面板图中，电源模块、单片机控制模块、显示模块、A/D 和 D/A 模块、键盘 模块，这五个模块的位置是固定的。其余模块如：集成运放参数测试、积分电路和微分电路、 电压比较器、U/F 变换器和 F/U 比较器、函数信号发生器和集成有源滤波器等六个实验模块， 可根据实验需要，安装在 JP11、JP12、JP13、JP14、JP15 插口上。 二． 实验箱使用说明 实验箱的左侧有 220V 电源线接口及电源开关，使用时，插上电源接线，闭合电源开关。 220V 交流电加到电源模块上，电源模块工作，可提供±5V、±12V、±15V、0～30V 的直流 电压。八个实验模块要正常工作，均需直流电压。做实验时，先将实验模块安装到实验箱底 板上。每个实验模块上都配有直流电源开关，将开关打在 ON 位置，相应的电源指示灯点亮， 可按照实验要求，开始做实验。实验结束后，将实验模块上的直流电源开关打在 OFF 位置， 将实验箱左侧的 220V 电源开关断开
三.实验要求1.实验前必须预习，认真阅读本次实验指导书的全部内容，明确实验目的，掌握实验原理，理解实验内容及步骤，理解需测试的数据和波形的意义。2.准备好实验所需仪器设备、工具和材料等，复习仪器设备的使用方法和注意事项，并在实验中严格遵守，不要损坏仪器设备。3.熟悉实验箱及本次的实验模块，熟悉测试点及元器件的位置。4．实验中应按照要求仔细操作，仔细观察实验现象，并做好记录5.测量数据和调整仪器要认真仔细，注意设备安全和人身安全。6实验过程中，如遇有异常气味和异常现象，应立即切断电源，并报告指导教师，只有在找出故障原因后，方可继续实验。7.实验结束后，必须关断电源，整理好实验箱、仪器设备、工具和材料等。4
4 三． 实验要求 1．实验前必须预习，认真阅读本次实验指导书的全部内容，明确实验目的，掌握实验 原理，理解实验内容及步骤，理解需测试的数据和波形的意义。 2．准备好实验所需仪器设备、工具和材料等，复习仪器设备的使用方法和注意事项， 并在实验中严格遵守，不要损坏仪器设备。 3．熟悉实验箱及本次的实验模块，熟悉测试点及元器件的位置。 4．实验中应按照要求仔细操作，仔细观察实验现象，并做好记录。 5．测量数据和调整仪器要认真仔细，注意设备安全和人身安全。 6．实验过程中，如遇有异常气味和异常现象，应立即切断电源，并报告指导教师，只 有在找出故障原因后，方可继续实验。 7．实验结束后，必须关断电源，整理好实验箱、仪器设备、工具和材料等
实验一集成运放参数测试实验目的1.熟悉集成运放的重要参数：输入失调电压Uos、输入失调电流los、差模开环电压增益Aud、共模抑制比CMRR、输出电压动态范围Uoppm和单位增益带宽GW。2.学会用简易方法测量以上参数。3．掌握集成运放主要参数的意义及其对应用电路性能的影响。4．掌握集成运放调零的方法。二.实验仪器1.万用表2.示波器3.信号发生器4.集成电路实验箱三.实验原理1.输入失调电压Uos的测试为使集成运放在零输入时达到零输出，需在其输入端加一个直流补偿电压，这个直流补偿电压的大小即为输入失调电压，两者的方向相反。输入失调电压一般是mV数量级。Uos越大，说明电路对称程度越差。本实验采用uA741集成运放，μA741属于通用IⅡI型，即中增益运放。其封装采用8-DIP和TO-99金属封装，管脚及功能为：2脚：反相输入端：3脚：同相输入端：6脚：输出端：7脚：正电源端：4脚：负电源端：8脚：空脚：1脚和5脚：调零端。需调零时，1脚和5脚之间接入100kQ的电位器，并将滑动触头接到负电源端；一般使用时1脚和5脚可悬空。如图1-1所示，是输入失调电压和输入失调电流的测量电路。Uo图1-1输入失调电压和输入失调电流的测量电路开关S1、S2闭合时，此时输出电压用Uoi表示。闭环电压的放大倍数为5
5 实验一 集成运放参数测试 一． 实验目的 1． 熟悉集成运放的重要参数：输入失调电压 UOS、输入失调电流 IOS、差模开环电压增 益 Aud、共模抑制比 CMRR、输出电压动态范围 Uoppm和单位增益带宽 GW。 2． 学会用简易方法测量以上参数。 3． 掌握集成运放主要参数的意义及其对应用电路性能的影响。 4． 掌握集成运放调零的方法。 二． 实验仪器 1． 万用表 2． 示波器 3． 信号发生器 4． 集成电路实验箱 三． 实验原理 1．输入失调电压 UOS的测试 为使集成运放在零输入时达到零输出，需在其输入端加一个直流补偿电压，这个直流补 偿电压的大小即为输入失调电压，两者的方向相反。输入失调电压一般是 mV 数量级。UOS 越大，说明电路对称程度越差。 本实验采用 μA741 集成运放，μA741 属于通用Ⅱ型，即中增益运放。其封装采用 8-DIP 和 TO-99 金属封装，管脚及功能为： 2 脚：反相输入端；3 脚：同相输入端；6 脚：输出端；7 脚：正电源端；4 脚：负电源 端；8 脚：空脚；1 脚和 5 脚：调零端。需调零时，1 脚和 5 脚之间接入 100kΩ 的电位器， 并将滑动触头接到负电源端；一般使用时 1 脚和 5 脚可悬空。 如图 1-1 所示，是输入失调电压和输入失调电流的测量电路。 2 3 7 4 6 1 5 IC1 R5 2k R3 51 R4 5.1k R6 2k R2 5.1k R1 51 S1 S2 +12V Uo1 -12V 图 1-1 输入失调电压和输入失调电流的测量电路 开关 S1、S2 闭合时，此时输出电压用 UO1 表示。 闭环电压的放大倍数为
Uol=!R +R,AUosR输入失调电压为R,1Uol=式 1-1Uos=.Uo101R +R实际测出的Uos一般为士（1～20）mV，高质量的运放，Uos在1mV以下，其值越小越好。2.输入失调电流Ios的测试当集成运放的输入电压为零，输出电压也为零时，两个输入偏置电流的差值，称为输入失调电流，即Ios=B+-IB-。输入失调电流los主要由输入级差动放大器的两个三极管的β值不一致造成的。一般来说，集成运放的偏置电流越大，其输入失调电流也越大。如图1-1所示，测试Ios时，将开关S1、S2断开，此时输出电压用Uo1表示，则Uor-Uol -RUoi-Uol式1-2Ios =2RAurRR+Rlos一般为lnA～10uA，其值越小越好。3.差模开环电压增益Aua的测试集成运放工作于线性区时，差模电压输入后，其输出电压变化AU。与差模输入电压变化AUa的比值，称为差模开环电压增益，即AU.Aua ="AU.差模开环电压增益一般用dB（分贝）为单位，则可表示为AU.(dB)Au (dB) = 20lgAUA实际集成运放的差模开环电压增益是频率的函数，所以手册中的差模开环电压增益均指直流（或低频）开环电压增益。为测试方便，通常采用低频（几十Hz）正弦交流信号进行测量。因集成运放的开环增益很高，难以直接测量，所以一般采用闭环测量法。如图1-2所示，是差模开环电压增益的测量电路。6
6 1 1 2 OS O1 uf R R R U U A + = = 输入失调电压为 O1 O1 1 2 1 OS 101 1 U U R R R U = + = 式 1-1 实际测出的 UOS一般为±（1～20）mV，高质量的运放，UOS 在 1mV 以下，其值越小越 好。 2．输入失调电流 IOS的测试 当集成运放的输入电压为零，输出电压也为零时，两个输入偏置电流的差值，称为输入 失调电流，即 OS = B+ − B− I I I 。 输入失调电流 IOS 主要由输入级差动放大器的两个三极管的 β 值不一致造成的。一般来 说，集成运放的偏置电流越大，其输入失调电流也越大。 如图 1-1 所示，测试 IOS 时，将开关 S1、S2 断开，此时输出电压用 UO1´表示，则 5 O1 O1 1 2 1 uf 5 O1 O1 OS ' ' R U U R R R A R U U I − + = − = 式 1-2 IOS 一般为 1nA～10μA，其值越小越好。 3．差模开环电压增益 Aud 的测试 集成运放工作于线性区时，差模电压输入后，其输出电压变化Uo 与差模输入电压变化 Uid 的比值，称为差模开环电压增益，即 id o ud U U A = 差模开环电压增益一般用 dB（分贝）为单位，则可表示为 (dB) 20lg (dB) id o ud = U U A 实际集成运放的差模开环电压增益是频率的函数，所以手册中的差模开环电压增益均指直流 （或低频）开环电压增益。为测试方便，通常采用低频（几十 Hz）正弦交流信号进行测量。 因集成运放的开环增益很高，难以直接测量，所以一般采用闭环测量法。 如图 1-2 所示，是差模开环电压增益的测量电路
DUo图1-2差模开环电压增益的测量电路在图1-2中，通过R2、RI、R4完成直流闭环，抑制输出电压漂移。通过R2、Rs实现交流闭环。外加信号经Ri、R4分压，使Ui足够小，以保证运放工作在线性区。C为隔直电容。运放的差模开环电压增益Aud为(AUo2R).Uo2Aua(dB) = 20lg=20lg· (dB)式1-3→ZUa)R)U.-般低增益集成运放的Aua约为60～70dB，中增益的Aua约为80dB，高增益的Aua约100dB以上。4.共模抑制比CMRR的测试集成运放工作于线性区时，其差模电压增益Aud与共模电压增益Auc之比称为共模抑制比，即CMRR= AdAuc若以dB为单位时，CMRR可表示为ACMRR =20lg(dB)与差模开环电压增益类似，CMRR也是频率的函数。集成运放手册中给出的参数值均指直流（或低频）时的CMRR。如图1-3所示，是共模抑制比CMRR的测量电路
7 2 3 7 4 6 1 5 IC1 741 Rs R2 5.1k R1 5.1k R4 51 R3 51 Rp 100k C 100u Us -12V +12V Uo2 Ui2 Uid + 图 1-2 差模开环电压增益的测量电路 在图 1-2 中，通过 R2、R1、R4 完成直流闭环，抑制输出电压漂移。通过 R2、Rs 实现交 流闭环。外加信号经 R1、R4 分压，使 Uid 足够小，以保证运放工作在线性区。C 为隔直电容。 运放的差模开环电压增益 Aud 为 (dB) 20lg 20lg 1 (dB) i 2 O 2 4 1 i d o2 u d = + = U U R R U U A 式 1-3 一般低增益集成运放的 Aud 约为 60～70dB，中增益的 Aud 约为 80dB，高增益的 Aud 约 100dB 以上。 4．共模抑制比 CMRR 的测试 集成运放工作于线性区时，其差模电压增益 Aud 与共模电压增益 Auc 之比称为共模抑制 比，即 uc ud A A CMRR = 若以 dB 为单位时，CMRR 可表示为 CMRR 20lg (dB) uc ud = A A 与差模开环电压增益类似，CMRR 也是频率的函数。集成运放手册中给出的参数值均指 直流（或低频）时的 CMRR。 如图 1-3 所示，是共模抑制比 CMRR 的测量电路
3100+121A74OUodUo300121图1-3共模抑制比CMRR的测量电路R,2，共模信号的电压增益集成运放工作在闭环状态，差模信号的电压增益为：AudRUoc为：|Aue|则共模抑制比CMRR为UicR,UeCMRR=20lg(dB)式1-4RU.因此，测出Uc和Uic，即可求出CMRR。多数集成运放的CMRR的值在80dB以上。5.输出电压动态范围Uoppm的测试输出电压动态范围Uoppm是指输出电压在不失真条件下所能达到的最大值。一般正、负向的电压摆幅往往并不相同，大多数集成运放的正、负电压摆幅均大于10V。如图1-4所示，是输出电压动态范围Uoppm的测量电路。100R212VOUoR3Ui4121图1-4输出电压动态范围Uoppim的测量电路6.单位增益带宽GW的测试单位增益带宽GW是指集成运放在闭环增益为1倍状态下，当用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0.707倍时的频率。当集成运放的频率特性具有单极点响应时，其单位增益带宽可表示为GW = Audf式1-58
8 2 3 7 4 6 1 5 IC1 uA741 R2 100k R1 1k R3 1k R4 100k Rp 100k C 100u Uic -12V Uoc + +12V A B C Ui3 Uo3 图 1-3 共模抑制比 CMRR 的测量电路 集成运放工作在闭环状态，差模信号的电压增益为： 1 2 ud R R A = ，共模信号的电压增益 为： ic oc uc U U A = ，则共模抑制比 CMRR 为 20lg (dB) 1 oc 2 ic = RU R U CMRR 式 1-4 因此，测出 Uoc 和 Uic，即可求出 CMRR。多数集成运放的 CMRR 的值在 80dB 以上。 5．输出电压动态范围 Uoppm 的测试 输出电压动态范围 Uoppm是指输出电压在不失真条件下所能达到的最大值。一般正、负 向的电压摆幅往往并不相同，大多数集成运放的正、负电压摆幅均大于 10V。 如图 1-4 所示，是输出电压动态范围 Uoppm的测量电路。 2 3 7 4 6 1 5 IC1 uA741 R2 100k R1 1k R3 1k Rp 100k Uic -12V Uo4 +12V Ui4 A B C 图 1-4 输出电压动态范围 Uoppm的测量电路 6．单位增益带宽 GW 的测试 单位增益带宽 GW 是指集成运放在闭环增益为 1 倍状态下，当用正弦小信号驱动时， 其闭环增益下降至 0.707 倍时的频率。当集成运放的频率特性具有单极点响应时，其单位增 益带宽可表示为 GW A f = ud 式 1-5
集成运放闭环工作时的频率响应主要决定于单位增益带宽GW，这个参数是集成运放小信号工作时的频率特性，小信号输出范围约为100~200mV。当集成运放处在大信号工作时，其输入级将工作于非线性区，这时集成运放的频率特性将会发生明显变化。当集成运放具有多极点的频率响应时，其单位增益带宽与开环带宽没有直接关系，此时采用增益带宽乘积参数表示。如图1-5所示，是单位增益带宽GW的测量电路。10图1-5单位增益带宽GW的测量电路四．实验内容及步骤将“集成运放参数测试模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。1.测试输入失调电压Uos和输入失调电流los（1）将开关Sa打在ON位置。（2）将开关S1、S2闭合（即用短接冒短接），用数字万用表直流电压档，测量输出电压Uo1，并记录Uoi数值。（3）将开关S1、S2断开，用数字万用表直流电压档，测量输出电压，此时用Uol表示，并记录Uor数值。（4）将以上数值代入式1-1和式1-2，计算出Uos和los。注：测试结束后，将开关Sa打在OFF位置。2.测试差模开环电压增益Aad（1）将开关Sb打在ON位置。（2）用信号发生器：在输入端Uz加入频率为100Hz，电压（峰峰值）为50mV的正弦波信号。用数字示波器观察Uo2的输出波形，并记录Uiz和Uo2的数值。（3）将以上数值代入式1-3，计算出Aud。注：测试结束后，将开关Sb打在OFF位置。3.测试共模抑制比CMRR（1）将开关Sc打在ON位置。开关S3、S5、S7闭合。（2）用信号发生器，在输入端U加入频率为100Hz，电压（峰峰值）为1V的正弦波信号。用数字示波器观察Uo3的输出波形，并记录Ui3和Uo3的数值。（注：也可用液晶显示屏读取Uo3的数值，Uo3-A1。）（3）将以上数值代入式1-4，计算出CMRR。注：测试结束后，将开关Sc打在OFF位置。4.测试输出电压动态范围Uoppm（1）将开关Sc打在ON位置。开关S4、S6、S8闭合。（2）用信号发生器，在输入端U4加入正弦波信号，频率为100Hz，逐渐增大输入电9
9 集成运放闭环工作时的频率响应主要决定于单位增益带宽 GW，这个参数是集成运放小 信号工作时的频率特性，小信号输出范围约为 100~200mV。当集成运放处在大信号工作时， 其输入级将工作于非线性区，这时集成运放的频率特性将会发生明显变化。当集成运放具有 多极点的频率响应时，其单位增益带宽与开环带宽没有直接关系，此时采用增益带宽乘积参 数表示。 如图 1-5 所示，是单位增益带宽 GW 的测量电路。 2 3 7 4 6 1 5 IC1 UA741 R 2 10k R 1 10k R 3 5 k R p 100k Ui5 -12V Uo5 +12V 图 1-5 单位增益带宽 GW 的测量电路 四． 实验内容及步骤 将“集成运放参数测试”模块安装在实验箱底板上，合上电源开关。 1． 测试输入失调电压 UOS和输入失调电流 IOS （1）将开关 Sa 打在 ON 位置。 （2）将开关 S1、S2 闭合（即用短接冒短接），用数字万用表直流电压档，测量输出电 压 UO1，并记录 UO1数值。 （3）将开关 S1、S2 断开，用数字万用表直流电压档，测量输出电压，此时用 UO1´表 示，并记录 UO1´数值。 （4）将以上数值代入式 1-1 和式 1-2，计算出 UOS 和 IOS。 注：测试结束后，将开关 Sa 打在 OFF 位置。 2．测试差模开环电压增益 Aud （1）将开关 Sb 打在 ON 位置。 （2）用信号发生器，在输入端 Ui2 加入频率为 100Hz，电压（峰峰值）为 50mV 的正 弦波信号。用数字示波器观察 UO2的输出波形，并记录 Ui2 和 UO2的数值。 （3）将以上数值代入式 1-3，计算出 Aud。 注：测试结束后，将开关 Sb 打在 OFF 位置。 3．测试共模抑制比 CMRR （1）将开关 Sc 打在 ON 位置。开关 S3、S5、S7 闭合。 （2）用信号发生器，在输入端 Ui3 加入频率为 100Hz，电压（峰峰值）为 1V 的正弦波 信号。用数字示波器观察 UO3 的输出波形，并记录 Ui3 和 UO3 的数值。（注：也可用液晶显 示屏读取 UO3的数值，UO3–A1。） （3）将以上数值代入式 1-4，计算出 CMRR。 注：测试结束后，将开关 Sc 打在 OFF 位置。 4．测试输出电压动态范围 Uoppm （1）将开关 Sc 打在 ON 位置。开关 S4、S6、S8 闭合。 （2）用信号发生器，在输入端 Ui4 加入正弦波信号，频率为 100Hz，逐渐增大输入电
压幅度。用数字示波器观察Uo4的输出波形，直至示波器上显示的输出电压的波形顶部或底部出现失真，此时的输出电压即是输出电压动态范围Uopm。注：测试结束后，将开关Sc打在OFF位置。5.测试单位增益带宽GW（1）将开关Sd打在ON位置。（2）用信号发生器，在输入端Uis加入正弦波信号，输入电压（峰峰值）为100mV，将开关SR2闭合，用数字示波器观察放大器的输入、输出信号波形。当输入信号的频率由低U=0.707时，所对应的频率即为单位增益带宽。逐渐增高时，电压增益A,=Uis注：测试结束后，将开关Sd打在OFF位置。五．实验报告要求1.阐述测试Uos、los、Aud、CMRR、Uoppm、GW参数的基本原理和测试方法。2.整理实验数据，计算出各项参数，并将实测参数值和指标值进行比较。3.通过分析实验数据，得出结论。六．思考题1.测量输入失调电压Uos、输入失调电流los时，为什么集成运放反相端和同相端的电阻要精选？2.测量输入失调电压Uos、输入失调电流Ios时，为什么要将集成运放的调零端开路？而测量其它参数时，则要对输出电压调零？3.选取测试信号频率的原则是什么？4．如何判断μA741运放芯片的好坏？5.使用运放芯片时，为什么要调零？如何调零？10
10 压幅度。用数字示波器观察 UO4 的输出波形，直至示波器上显示的输出电压的波形顶部或底 部出现失真，此时的输出电压即是输出电压动态范围 Uoppm。 注：测试结束后，将开关 Sc 打在 OFF 位置。 5．测试单位增益带宽 GW （1）将开关 Sd 打在 ON 位置。 （2）用信号发生器，在输入端 Ui5 加入正弦波信号，输入电压（峰峰值）为 100mV， 将开关 SR2闭合，用数字示波器观察放大器的输入、输出信号波形。当输入信号的频率由低 逐渐增高时，电压增益 0.707 i5 o5 = = U U Au 时，所对应的频率即为单位增益带宽。 注：测试结束后，将开关 Sd 打在 OFF 位置。 五． 实验报告要求 1． 阐述测试 UOS、IOS、Aud、CMRR、Uoppm、GW 参数的基本原理和测试方法。 2． 整理实验数据，计算出各项参数，并将实测参数值和指标值进行比较。 3． 通过分析实验数据，得出结论。 六． 思考题 1． 测量输入失调电压 UOS、输入失调电流 IOS 时，为什么集成运放反相端和同相端的 电阻要精选？ 2． 测量输入失调电压 UOS、输入失调电流 IOS 时，为什么要将集成运放的调零端开路？ 而测量其它参数时，则要对输出电压调零？ 3． 选取测试信号频率的原则是什么？ 4． 如何判断 μA741 运放芯片的好坏？ 5． 使用运放芯片时，为什么要调零？如何调零？