集成运算放大器实现的运算电路实验_集成运算放大器组成部分[通俗易懂]

实验目的

(1) 掌握集成运算放大器的基本运算功能及正确使用。
(2) 掌握集成运算放大器常用单元电路的设计和调试方法。
(3) 掌握在仿真实验平台中导入和调试新元件的方法。

实验原理

1. 实验原理
   集成运算放大器是由高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大器组成。从工作原理上，集成运算放大器可分为线性应用和非线性应用两个方面。在线性工作区内，其输出电压uo与输入电压ui的线性放大的关系为uo=Auo（u±u-）=Auoui，由于集成运算放大器的放大倍数Auo高达104~107，若使uo为有限值，必须引入深度负反馈，使线性区加宽，构成集成运算放大器的线性运算电路。
   在工程应用情况下，将集成运放视为理想运放，就是将集成运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放，即
   (1)开环电压放大倍数Auo=∞
   (2)输入阻抗ri=∞
   (3)输出阻抗ro=0
   (4)带宽fBW=∞
   (5)失调与漂移均为零
   理想运放工作在线性区的分析依据是，输入端的虚短（u+=u-），输入端的虚断（i+=i-=0）和输入端的虚地（同相端接地时，u-=0）。
   理想运放工作在非线性区的分析依据是：
   u+>u-, uo=+UOM u->u+, uo=-UOM
2. 原理图
   (1) 电压跟随器，原理图如下：
   
   (2) 反向比例运算电路，原理图如下：
   

(3) 同向比例运算电路，原理图如下：

(4) 减法器的设计，原理图如下：

(5) 电压比较器，原理图如下：

(6) 矩形波发生器，原理图如下：

实验过程与原始数据

1. 电压跟随器
   (1) 实验过程：在画布中插入三个电压源和一个理想运放，将输入电压ui设置为直流1V，然后按照原理图将各元件连接起来。运行电路图并测量输出电压uo。
   (2) 原始数据：ui=1V
   
2. 反向比例运算电路
   (1) 实验过程：在画布中插入三个电压源、一个理想运放和三个电阻，将R1赋为20kΩ，R2赋为16.667kΩ，RF赋为100kΩ，然后按照原理图将各元件连接起来。不断改变输入电压ui，运行电路图并测量输出电压uo。
   (2) 原始数据：R1=20kΩ，R2=16.667kΩ，RF=100kΩ
   
3. 同向比例运算电路
   (1) 实验过程：在画布中插入三个电压源、一个理想运放和三个电阻，将
   R1赋为20kΩ，R2赋为16.667kΩ，RF赋为100kΩ，然后按照原理图将各元件连接起来。不断改变输入电压ui，运行电路图并测量输出电压uo。
   (2) 原始数据：R1=20kΩ，R2=16.667kΩ，RF=100kΩ
   
4. 减法器的设计
   (1) 实验过程：在画布中插入四个电压源、一个理想运放和四个电阻，将R1赋为10kΩ，R2赋为10kΩ，R3赋为100kΩ，RF赋为100kΩ，然后按照原理图将各元件连接起来。不断改变输入电压ui1和ui2，运行电路图并测量输出电压uo。该减法器可实现关系式uo=10（ui2-ui1）。
   (2) 原始数据：R1=10kΩ，R2=10kΩ，R3=100Kω,RF=100kΩ
   
5. 电压比较器
   (1) 实验过程：在画布中插入三个电源、一个理想运放和两个电阻，将R1赋为10kΩ，R2赋为10kΩ，ui赋为交流1V，频率为1kHz，然后按照原理图将各元件连接起来。运行电路图，画出输出电压uo的波形和传输特性。
   (2) 原始数据：R1=10kΩ,R2=10kΩ,ui=1V，频率为1kHz
   
6. 矩形波发生器
   (1) 实验过程：在画布中插入两个电源、一个理想运放、一个电容和四个电阻，按照原理图将各元件连接起来。不断改变R1、R2、R3、RF的阻值和C的容抗，运行电路并测量输出电压的周期、频率和幅度。
   (2) 原始数据：
   

实验结果及分析

1. 电压跟随器
   (1) 实验结果：
   
   (2) 分析：输出电压uo等于输入电压ui，即电压跟随器不具有放大效应。
2. 反向比例运算电路
   (1) 实验结果：
   
   (2) 分析：在一定范围内，输出电压和输入电压满足uo=-5ui，即输出电压与输入电压成正比，且其相位相反。当ui超过某一定值时，uo不再增大。
3. 同向比例运算电路
   (1) 实验结果：
   
   (2) 分析：在一定范围内，输出电压与输入电压满足uo=6ui，即输出电压与输入电压成正比，且其相位相同。当ui超过一定值时，uo不再增大。
4. 减法器的设计
   (1) 实验结果：
   
   (2) 分析：在一定范围内，输出电压与输入电压满足uo=10（ui2-ui1），即输出电压与输入电压的差值成正比。当差值超过一定值时，uo不再增大。
5. 电压比较器
   (1) 实验结果：
   
   
6. 矩形波发生器
   (1) 实验结果
   

思考题

(1) 不能。因为输出电压的幅值受到供能直流电源电压的限制，即输出电压的最大值不超过供能直流电源的电压。
(2) 可将两个二极管串联在运放的正、负电源电路中，如果正接负、负接正，则二极管不导通，运放不工作，从而保护运放。电路图如下：

实验体会与建议

1. 体会：在本次实验中我掌握了多种集成运算放大电路的原理和常用单元电路的设计和调试方法，且能够利用仿真实验平台分析输出电压的波形和传输特性。另外，通过这次实验，我对集成运算放大电路的理论分析更加清晰准确，进一步提高了我对电路各项参数进行理论计算的能力。
2. 本次实验难度中等偏易，且其对电路分析的能力要求不够高，可以适当提升实验难度。

敲黑板！！！
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