电子电工实验 | 单管放大、RLC 谐振、运放应用、叠加 / 戴维南

注：本文为 "电子电工实验" 相关合辑。

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电子与电工技术实验------集成运算放大器的应用

凉丶梦 2022‑04‑26 21:50:29

实验目的

掌握集成运算放大器的基本运算功能及规范使用方式。
掌握集成运算放大器常用单元电路的设计流程与调试方法。
掌握仿真实验平台中新元件的导入方法与调试流程。

实验原理

集成运算放大器工作原理

集成运算放大器由具有高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大电路构成。其工作模式分为线性应用与非线性应用两类。在线性工作区域内，输出电压 u O u_O uO 与输入电压 u I u_I uI 满足线性放大关系：
u O = A U O ( u + − u − ) = A U O u I u_O = A_{UO}(u_+ - u_-) = A_{UO}u_I uO=AUO(u+−u−)=AUOuI

集成运算放大器的开环电压放大倍数 A U O A_{UO} AUO 取值范围为 10 4 ∼ 10 7 10^4 \sim 10^7 104∼107。为使输出电压 u O u_O uO 维持有限数值，需引入深度负反馈以拓展线性工作区间，构成线性运算电路。

工程应用中常将集成运算放大器等效为理想运算放大器，即对其技术指标进行理想化处理，满足以下条件：

开环电压放大倍数 A U O = ∞ A_{UO} = \infty AUO=∞
输入阻抗 r i = ∞ r_i = \infty ri=∞
输出阻抗 r O = 0 r_O = 0 rO=0
通频带 f BW = ∞ f_{\text{BW}} = \infty fBW=∞
失调电压与温度漂移均为 0

理想运算放大器工作于线性区的分析依据为：输入端虚短（ u + = u − u_+ = u_- u+=u−）、输入端虚断（ i + = i − = 0 i_+ = i_- = 0 i+=i−=0）、同相端接地时的虚地（ u − = 0 u_- = 0 u−=0）。

理想运算放大器工作于非线性区的分析依据为：
{ u + > u − , u O = + U OM u − > u + , u O = − U OM \begin{cases} u_+ > u_- , & u_O = +U_{\text{OM}} \\ u_- > u_+ , & u_O = -U_{\text{OM}} \end{cases} {u+>u−,u−>u+,uO=+UOMuO=−UOM

实验电路原理图

电压跟随器
反相比例运算电路
同相比例运算电路
减法运算电路
电压比较器
矩形波发生器

实验过程与原始数据

电压跟随器

实验过程：在仿真画布中放置 3 个电压源与 1 个理想运算放大器，设置输入电压 u I = 1 V u_I = 1\ \text{V} uI=1 V（直流），依照电路原理图完成元件连接，运行仿真并测量输出电压 u O u_O uO。
原始数据： u I = 1 V u_I = 1\ \text{V} uI=1 V

反相比例运算电路

实验过程：在仿真画布中放置 3 个电压源、1 个理想运算放大器与 3 个电阻，设置参数 R 1 = 20 k Ω R_1 = 20\ \text{k}\Omega R1=20 kΩ， R 2 = 16.667 k Ω R_2 = 16.667\ \text{k}\Omega R2=16.667 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ，依照电路原理图完成元件连接，改变输入电压 u I u_I uI 并重复仿真，测量对应输出电压 u O u_O uO。
原始数据： R 1 = 20 k Ω R_1 = 20\ \text{k}\Omega R1=20 kΩ， R 2 = 16.667 k Ω R_2 = 16.667\ \text{k}\Omega R2=16.667 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ

同相比例运算电路

实验过程：在仿真画布中放置 3 个电压源、1 个理想运算放大器与 3 个电阻，设置参数 R 1 = 20 k Ω R_1 = 20\ \text{k}\Omega R1=20 kΩ， R 2 = 16.667 k Ω R_2 = 16.667\ \text{k}\Omega R2=16.667 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ，依照电路原理图完成元件连接，改变输入电压 u I u_I uI 并重复仿真，测量对应输出电压 u O u_O uO。
原始数据： R 1 = 20 k Ω R_1 = 20\ \text{k}\Omega R1=20 kΩ， R 2 = 16.667 k Ω R_2 = 16.667\ \text{k}\Omega R2=16.667 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ

减法运算电路

实验过程：在仿真画布中放置 4 个电压源、1 个理想运算放大器与 4 个电阻，设置参数 R 1 = 10 k Ω R_1 = 10\ \text{k}\Omega R1=10 kΩ， R 2 = 10 k Ω R_2 = 10\ \text{k}\Omega R2=10 kΩ， R 3 = 100 k Ω R_3 = 100\ \text{k}\Omega R3=100 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ，依照电路原理图完成元件连接，改变输入电压 u I 1 u_{I1} uI1 与 u I 2 u_{I2} uI2 并重复仿真，测量对应输出电压 u O u_O uO。该电路实现关系 u O = 10 ( u I 2 − u I 1 ) u_O = 10(u_{I2} - u_{I1}) uO=10(uI2−uI1)。
原始数据： R 1 = 10 k Ω R_1 = 10\ \text{k}\Omega R1=10 kΩ， R 2 = 10 k Ω R_2 = 10\ \text{k}\Omega R2=10 kΩ， R 3 = 100 k Ω R_3 = 100\ \text{k}\Omega R3=100 kΩ， R F = 100 k Ω R_F = 100\ \text{k}\Omega RF=100 kΩ

电压比较器

实验过程：在仿真画布中放置 3 个电源、1 个理想运算放大器与 2 个电阻，设置参数 R 1 = 10 k Ω R_1 = 10\ \text{k}\Omega R1=10 kΩ， R 2 = 10 k Ω R_2 = 10\ \text{k}\Omega R2=10 kΩ，输入电压 u I = 1 V u_I = 1\ \text{V} uI=1 V（交流），频率 f = 1 kHz f = 1\ \text{kHz} f=1 kHz，依照电路原理图完成元件连接，运行仿真并记录输出电压 u O u_O uO 的波形与传输特性。
原始数据： R 1 = 10 k Ω R_1 = 10\ \text{k}\Omega R1=10 kΩ， R 2 = 10 k Ω R_2 = 10\ \text{k}\Omega R2=10 kΩ， u I = 1 V u_I = 1\ \text{V} uI=1 V， f = 1 kHz f = 1\ \text{kHz} f=1 kHz

矩形波发生器

实验过程：在仿真画布中放置 2 个电源、1 个理想运算放大器、1 个电容与 4 个电阻，依照电路原理图完成元件连接，改变 R 1 R_1 R1、 R 2 R_2 R2、 R 3 R_3 R3、 R F R_F RF 与电容 C C C 的参数，运行仿真并测量输出电压的周期、频率与幅值。
原始数据：

实验结果及分析

电压跟随器

实验结果：
分析：输出电压 u O u_O uO 与输入电压 u I u_I uI 数值相等，电压跟随器不具备电压放大能力。

反相比例运算电路

实验结果：
分析：一定输入范围内，输出电压与输入电压满足 u O = − 5 u I u_O = -5u_I uO=−5uI，二者呈线性比例关系且相位相反。当输入电压 u I u_I uI 超出某一阈值时，输出电压 u O u_O uO 不再随输入电压增大。

同相比例运算电路

实验结果：
分析：一定输入范围内，输出电压与输入电压满足 u O = 6 u I u_O = 6u_I uO=6uI，二者呈线性比例关系且相位相同。当输入电压 u I u_I uI 超出某一阈值时，输出电压 u O u_O uO 不再随输入电压增大。

减法运算电路

实验结果：
分析：一定输入范围内，输出电压与输入电压差值满足 u O = 10 ( u I 2 − u I 1 ) u_O = 10(u_{I2} - u_{I1}) uO=10(uI2−uI1)，呈线性比例关系。当输入电压差值超出某一阈值时，输出电压 u O u_O uO 不再随差值增大。

电压比较器

实验结果：

矩形波发生器

实验结果：

思考题

输出电压幅值受供电直流电源电压约束，其最大值不超过供电直流电源电压。
可在运算放大器正、负供电支路中串联二极管，若电源极性接反，二极管截止，运算放大器不工作，实现电路保护。对应电路如下：

实验体会与建议

实验体会：通过本次实验，掌握多种集成运算放大电路的工作原理、单元电路设计流程与调试方法，可借助仿真平台分析输出电压波形与传输特性。对集成运算放大电路的理论分析体系更为完善，电路参数理论计算能力得到提升。
改进建议：本次实验难度偏低，对电路分析能力的训练强度有限，可适当提升实验内容难度。

电工与电子技术实验------单管交流电压放大电路

凉丶梦 2022‑04‑26 21:50:57

实验目的

掌握晶体管放大电路静态工作点的调试方法。
分析静态工作点变化对放大电路性能的影响规律。
研究饱和失真与截止失真对放大电路输出电压波形的作用。
提升仿真实验平台基础操作的熟练度。

实验原理

典型单管交流电压放大电路为共发射极分压偏置式交流电压放大电路，对应原理图如下。晶体管为非线性器件，为避免输出波形产生非线性失真，需设置合适的静态工作点，使晶体管工作于放大区。

静态工作点偏低时，基极电流 I B I_B IB 与集电极电流 I C I_C IC 偏小，集‑射极电压 U C E U_{CE} UCE 偏大，晶体管进入截止区，产生截止失真；静态工作点偏高时， I B I_B IB 与 I C I_C IC 偏大， U C E U_{CE} UCE 偏小，晶体管进入饱和区，产生饱和失真。调节基极可变电阻 R P R_P RP 可实现静态工作点的调整。电压放大倍数表达式如下：

A u = u o u i = − β R C ∥ R L r b e A_u = \frac{u_o}{u_i} = -\beta \frac{R_C \parallel R_L}{r_{be}} Au=uiuo=−βrbeRC∥RL

实验电路原理图：