最新东南大学模电实验七运算放大器及应用电路资料文档格式.docx
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解：
运放输出电压（节点3）随输入电压V3的变化曲线，即运放电压传输特性：
根据上图仿真可得，直流电压增益Avd0=99.5993k
为了寻找线性工作区，扩大扫描范围-500μV~500μV，可得运放电压传输特性：
根据图线得出其线性工作区范围：
--118.6557μV~168.0384μV
思考:
（1）
当输入差模电压为0时，输出电压=-3.3536V；
若要求输出电压等于0，应使输入信号V+=33.6709μV
原因：
在运放的线性工作区内，此题中可认为差模电压与输出电压成正相关，设输出电压为Y，输入电压（即输入差模电压）为X，线性比例系数K。
因此可认为满足以下关系：
Y=K*X+B
当X=0时，Y=-3.3536V，故B=-3.3536V
令Y=0，则X=-B/K=3.3536/9.5993k=33.6709μV
与仿真结果一致
（2）
运放输出的最高电压为13.3160V，最低电压为-14.8574V。
最高正电压的绝对值小于最低负电压的绝对值：
V+可对OUT下边的PNP管射极电流造成影响。
V+在很小的正电位时，输出为0，这导致了最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值
输入失调电压
根据图4所示电路，仿真得到运放LM358P的输入失调电压VIO。
VIO既可以先测量输出电压VO（图4中节点3电压），再根据VIO=-VO/（-R1/R2）计算得到；
也可以直接测量运放正负端电压差得到。
前者适合VIO比较小的情况，后者适合VIO比较大的情况。
当R1=1kΩ,R2=10Ω,进行直流工作点仿真，并完成表7-1。
当R1=10kΩ,R2=100Ω,进行直流工作点仿真，并完成表7-2。
当R1=100kΩ,R2=1kΩ,进行直流工作点仿真，并完成表7-3。
图4.输入失调电压仿真电路
表7-1：
R1=1kΩ,R2=10Ω
V3（μV）
V4（μV）
V5（μV）
V5-V4（μV）
-V3/（-R1/R2）（μV）
-3416.69
-33.63122
0.00000
33.63122
-34.16687
表7-2：
R1=10kΩ,R2=100Ω
-3596.22
-33.63251
33.63251
-35.9622
表7-3：
R1=100kΩ,R2=1kΩ
-5388.47
-33.61482
33.61482
-53.88466
根据上述仿真结果，给出运放的的输入失调电压VIO。
尝试设置V3电压等于VIO，观察输出电压V3的变化。
Simulate→Analyses→DCOperatingPoint，设置需要输出的电压。
什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的VIO存在较大的差异？
在实际测量中，若输入失调电压小，需要通过测量输出电压并计算得到VIO时，在电阻的选取上需要注意什么问题？
由上表可得，VIO=V5-V4=33.63μV
当V3=VIO=33.63μV，得三种情况输出电压如下
R1=1kΩ，R2=10Ω
R1=10kΩ，R2=100Ω
R1=100kΩ，R2=1kΩ
-24.03518μV
-203.25713μV
-1.99547mV
可见输出电压很小，可视为满足VIO条件（输出电压为0时在输入端所加的补偿电压）。
失调电压是输入电压为0时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为在折算到输入端的失调电压，同时也为使输出电压为0时在输入端所加的补偿电压。
实际运放的输出电阻并非无限大，当外电阻R1和R2增大到一定数值时，其上的分压不能被忽略，因此会导致VIO的变化。
应尽量选取比较小的电阻R1和R2，确保运放工作在较理想状态。
增益带宽积（单位增益带宽）GBP
根据图5所示电路进行频率扫描仿真（AC仿真），得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。
在幅频特性曲线中采用标尺（cursor）标出增益下降到最大增益值的0.707倍时对应的频率，并计算运放的增益带宽积GBP，即单位增益带宽。
在相频特性曲线中根据相位特征采用标尺分别标记出主极点和次主极点的频率。
（提交的仿真结果截图需带有标记信息）。
图5.增益带宽积仿真电路
Simulate→Analyses→ACAnalysis，设置需要输出的电压，频率扫描范围，扫描类型和扫描点数等，仿真参数设置参考图6。
输入交流信号源在V3中设置，直流为0，交流输入信号幅度为1。
图6.AC仿真参数设置
若输入信号频率为100kHz，则采用LM358P能实现的最高增益是多少？
幅频特性和相频特性曲线：
GBP=99.8986*9.9520k≈994.1909k
最高增益为GBP/100k≈994.1909k/100k≈9.94
转换速率（压摆率）SR
a.当输入为大信号时，运放由于内部电容的充放电速度限制，输出信号可能不能完全跟随输入信号，而出现失真。
运放输出电压能达到的最大变化速度定义为转换速率SR，也称压摆率。
根据图7所示电路通过仿真得到运放的转换速率。
运放接成电压跟随器，输入信号为阶跃信号，阶跃信号初始电压-10V，阶跃后稳定电压10V，阶跃时间1ns，阶跃持续时间>
1ms。
通过瞬态分析得到输出电压，并采用标尺标记出输出电压变化的斜率，即转换速率。
图7.转换速率仿真电路
b.将图7中的信号源V3改为正弦信号（在电压源中选择ACVoltage），振幅为10V（峰峰值20V），直流电压0V，当频率分别为1kHz和10kHz时，得到相应的输入输出波形对照图（在一张图中同时显示输入和输出波形），观察波形的变化并提交截图。
Simulate→Analyses→TransientAnalysis，瞬态仿真参数设置参考图8，TSTOP根据信号频率改变，保证输出一个周期以上的波形。
若图7的输入为正弦信号，振幅为10V，直流电压0V，根据第六章中的结论：
ωVom≤SR，则允许的最大输入信号频率为多少？
图8.瞬态仿真参数设置
（a）运放输出电压：
故SR=dy/dx=499.730k。
（b）
频率为1kHz的输入输出波形：
失真不明显
频率为10kHz的输入输出波形：
有明显失真
2.运放构成的应用电路
反相放大器
图9所示电路为运放构成的反相放大器，按照图中参数进行瞬态仿真，采用Tektronix示波器观察各个节点波形。
输入信号单端振幅为50mV，频率分别为10Hz，100Hz和1kHz，请提交三种频率条件下的节点3、节点4、节点5的波形截图（三个节点波形显示在一张图中）。
示波器显示设置参考图10，对于Y轴，节点5波形的显示设置为2V/div，节点4波形的显示设置为2mV/div，节点3波形的显示设置为20mV/div，X轴设置至少保证两个周期的显示，并请在示波器中测量出输出电压（节点5）的峰峰值。
注意观察不同频率条件下的输出电压幅度的变化，并给出解释。
图9.反相放大器
图10.Tektronix示波器控制面板
电路设计完成后，直接点击仿真软件控制面板上的run（绿色三角符号），双击示波器图标观察波形。
a.在不同输入信号频率条件下，负端电压（图9中节点4电压）幅度一样吗？
b.输入信号频率为1kHz时，运放负端电压的相位和输出信号相位相差大约多少度？
10Hz输出电压（节点5）的峰峰值：
9.95V
100Hz输出电压（节点5）的峰峰值：
1kHz输出电压（节点5）的峰峰值：
9.88V
放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。
a.不一样。
因为放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。
b.相差小于
，因为运放是非理想运放，不能达到完全的反相器的效果
电压转换电路
由运放和三极管可以构成电压转换电路，如图11所示。
该电路可以将某种直流电压转换为另一种直流电压，如图中电路在1V参考电压（V3）作用下，可以将±
15V直流电压转换为3V左右的直流电压供负载使用，负载电阻为R3。
仿真任务：
a.在图中参数条件下，扫描直流电压V1，电压范围4V~15V，扫描步长0.01V，扫描类型为线性扫描。
提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线，并根据仿真结果确定电源电压V2的最低电压（输出电压下降1%时的电源电压）;
b.扫描负载电阻R3，扫描范围为10Ω~1kΩ，步长10Ω，提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线。
图11.运放构成的电压转换电路
仿真任务a
采用DC扫描，Simulate→Analyses→DCSweep,设置扫描电压和输出电压；
仿真任务b
采用参数扫描，Simulate→Analyses→ParameterSweep,设置扫描参数和输出电压。
验收：
该电路如何实现电压转换？
根据图11可得，
V6=1V，故V3=V6=1V
又I-=0，故R1、R2串联分压，
即V4:
V3=（R1+R2）：
R2=3:
1
所以V4=3V
图11所示电路如何改造后就能实现恒定电流输出？
提示：
增加电流镜。
V2的最低电压为5.2217V。
输出电压V4随电源电压V2的变化曲线：
DCsweepI（Q3[Ic]）
修改电路如下（新增电流镜）
整流电路
图12所示电路为运放构成的整流电路，运放的高增益使得该电路能实现小信号幅度的整流，克服了二极管整流的导通电压问题。
请写出输出电压表达式，并画出传输特性。
输入信号频率为1Hz，振幅分别为100mV，10mV，1mV时，请通过瞬态仿真得到输出电压波形（节点7），与输入信号V3同时显示。
op
图12.运放构成的整流电路
Simulate→Analyses→TransientAnalysis，仿真时间2s，步长1ms。
在小信号输入时，如振幅1mV，输出波形会严重失真，主要是什么原因导致这种失真？
如何更改参数来减小这种失真？
运放的非理想性。
（1）输出电压表达式及传输特性：
V3=0时，D1，D2截止，Vo=0
V3>
0时，D1导通，D2截止，Vo=V3
V3<
0时，D1截止，D2导通，Vo=-V3
（2）不同振幅时输入输出信号波形：
100mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：
10mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：
1mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：
附件
（二）：
由于运放的非理想型，输入阻抗不趋于无穷大，输入电压过小时，电流过小。
还有一点就是ｂｅａｄｗｏｒｋ公司在“碧芝自制饰品店”内设立了一个完全的弹性价格空间：
选择饰珠的种类和多少是由顾客自己掌握，所以消费者可以根据自己的消费能力进行取舍；
此外由于是顾客自己制作，所以从原料到成品的附加值就可以自己享用。
改进方法：
保持R1/R2值不变，减小阻值。
自制饰品一反传统的饰品消费模式，引导的是一种全新的饰品文化，所以非常容易被我们年轻的女生接受。
下图为R1=20Ω，R2=10Ω，输入幅度1mV的电压波形：
手工艺制品是我国一种传统文化的象征，它品种多样，方式新颖，制作简单，深受广大学生朋友的喜欢。
当今大学生的消费行为表现在追求新颖，追求时尚。
追求个性，表现自我的消费趋向：
购买行为有较强的感情色彩，比起男生热衷于的网络游戏，极限运动，手工艺制品更得女生的喜欢。
可见失真度减小。
三、
四、我们熟练的掌握计算机应用，我们可以在网上搜索一些流行因素，还可以把自己小店里的商品拿到网上去卖，为我们小店提供了多种经营方式。
硬件实验
2、价格“适中化”图13为运放构成的脉冲宽度调制电路。
其中，U1A和U2A构成三角波发生器，U3A构成脉冲宽度调制电路。
最终输出波形（节点12）的脉冲宽度随着调制信号（U3A的负端输入信号）幅度的变化而变化。
PWM调制技术可以简单的实现模拟控制到数字控制的转换，具有控制灵活、动态响应好、抗干扰能力强等优点，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。
4、宏观营销环境分析实验任务：
1.
2.1、荣晓华、孙喜林《消费者行为学》东北财经大学出版社2003年2月若二极管1N3064的导通电压为VD（on），请写出U2A输出的三角波电压的正峰值和负峰值电压的表达式，电阻符号与图13中保持一致；
3.
4.我们从小学、中学到大学，学的知识总是限制在一定范围内，缺乏在商业统计、会计，理财税收等方面的知识；
也无法把自己的创意准确而清晰地表达出来，缺少个性化的信息传递。
对目标市场和竞争对手情况缺乏了解，分析时采用的数据经不起推敲，没有说服力等。
这些都反映出我们大学生创业知识的缺乏；
写出U2A输出的三角波信号的周期表达式；
5.
6.“碧芝”最吸引人的是那些小巧的珠子、亮片等，都是平日里不常见的。
店长梁小姐介绍，店内的饰珠有威尼斯印第安的玻璃珠、秘鲁的陶珠、奥利的施华洛世奇水晶、法国的仿金片、日本的梦幻珠等，五彩缤纷，流光异彩。
按照饰珠的质地可分为玻璃、骨质、角质、陶制、水晶、仿金、木制等种类，其造型更是千姿百态：
珠型、圆柱型、动物造型、多边形、图腾形象等，美不胜收。
全部都是进口的，从几毛钱一个到几十元一个的珠子，做一个成品饰物大约需要几十元，当然，还要决定于你的心意。
“碧芝”提倡自己制作：
端个特制的盘子到柜台前，按自己的构思选取喜爱的饰珠和配件，再把它们串成成品。
这里的饰珠和配件的价格随质地而各有同，所用的线绳价格从几元到一二十元不等，如果让店员帮忙串制，还要收取１０％～２０％的手工费。
若要求三角波频率100Hz，正负峰值都为2V，指标误差不超过±
10%，请在面包板上完成实验电路，并通过测试确定电路中电阻R2和R6的值，电容C1取100nF，其余电阻按照图中给出的参数取值，电路完成后提交节点8和节点10的示波器截图（显示在同一张图中），并测量频率和峰峰值；
7.按照图中所示，给电路施加调制信号V3（U3A的负端输入信号），提交节点13和节点11的波形（显示在同一张图中）；
8.将调制信号V3的交流幅度设置为0，通过连续改变调制信号的直流电压（OFFSET），观察并记录LED1和LED2的亮度随该直流电压的变化情况，并给出合理的解释。
图13.运放构成的脉冲宽度调制（PWM）电路
PWM调制对三角波的线性度要求较高，图13中电路是如何实现这种高线性度的？
分析上述电路
由图13，
U1A为方波发生器，积分后得到U2A输出为三角波，又有U3A以同相端为参考，进行电压比较，得到U3A输出方波脉冲宽度随着反相端输入信号幅度的变化而变化。
1.正峰值=VD（on）R6/R1
负峰值=-VD（on）R6/R1
2.根据运放的性质，可以得到以下式子：
V10=—VD（on）*R6/R1
V10=—
—VD（on）*t/（R2*C1）
为使得上述二式等价，有
T=4*R2*R6*C1/R1
3.R2=8kΩ,R6=180kΩ
节点8-CH2：
频率f=1/（20.76-14.34）ms=155.76Hz,峰峰值为1344mV
节点10-CH1：
频率f=1/（20.76-14.34）ms=155.76Hz,峰峰值为4092mV，频率超出误差范围，检查电路后，可能是硬件器件存在问题
4.
节点13-CH1
节点11-CH2
5.
直流偏置为负且绝对值增大时，LED2变暗，LED1变亮；
直流偏置小于-2000mV时，LED2灭；
直流偏置为正且绝对值增大时，LED1变暗，LED2变亮；
直流偏置大于2000mV时，LED1灭。
分析：
V3的交流幅度为0时，U3A为电压比较器，即，
当输入电压大于2V时输出为低电平，LED2亮；
当输入电压小于-2V时输出为高电平，LED1亮；
输出信号为一周期信号且在同一周期内有正有负，但是由于信号周期过小，因此LED1和LED2看起来都很亮。
利用电容器的充放电过程中电流不变，电压线性增加来实现三角波的高线性度。
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