目標：

 

在本實驗中，我們將介紹一種有源電路——運算放大器(op amp)
，其某些特性（高輸入電阻、低輸出電阻和大差分增益）使(shi)它(ta)成(cheng)為(wei)近(jin)乎(hu)理(li)想(xiang)的(de)放(fang)大(da)器(qi)，並(bing)且(qie)是(shi)很(hen)多(duo)電(dian)路(lu)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)有(you)用(yong)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)。在(zai)本(ben)實(shi)驗(yan)中(zhong)
，你(ni)將(jiang)了(le)解(jie)有(you)源(yuan)電(dian)路(lu)的(de)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)，並(bing)探(tan)索(suo)若(ruo)幹(gan)基(ji)本(ben)功(gong)能(neng)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)。我(wo)們(men)還(hai)將(jiang)利(li)用(yong)此(ci)實(shi)驗(yan)繼(ji)續(xu)發(fa)展(zhan)使(shi)用(yong)實(shi)驗(yan)室(shi)硬(ying)件(jian)的(de)技(ji)能(neng)。

 

材料：

 

● ADALM1000硬件模塊

● 無焊試驗板和跳線套件

● 一個1 kΩ電阻

● 三個4.7 kΩ電阻

● 兩個10 kΩ電阻

● 一個20 kΩ電阻

● 兩個AD8541 器件（CMOS軌到軌放大器）

● 兩個0.1 μΩ電容（徑向引線）

 

1.1 運算放大器基礎知識

 

第一步：連接直流電源

 

必須為運算放大器始終提供直流電源，因此在添加任何其他電路元件之前
，最好配置這些連接。圖1顯示了無焊試驗板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長軌用於正電源電壓和地，另一根用於可能需要的2.5 V中間電源連接。板上包括電源去耦電容
，其連接在電源和地(GND)軌gui之zhi間jian。現xian在zai詳xiang細xi討tao論lun這zhe些xie電dian容rong的de用yong途tu還hai為wei時shi過guo早zao，隻zhi需xu知zhi道dao它ta們men用yong於yu降jiang低di電dian源yuan線xian上shang的de噪zao聲sheng並bing避bi免mian寄ji生sheng振zhen蕩dang。在zai模mo擬ni電dian路lu設she計ji中zhong，務wu必bi在zai電dian路lu中zhong每mei個ge運yun算suan放fang大da器qi的de電dian源yuan引yin腳jiao附fu近jin使shi用yong小xiao型xing旁pang路lu電dian容rong
，這zhe被bei認ren為wei是shi良liang好hao實shi踐jian。

 

圖1.電源連接

 

將運算放大器插入試驗板，然後添加導線和電容，如圖1所示。為避免以後出現問題，可能需要在試驗板上貼一個小標簽，指示哪些電源軌對應5 V、2.5 V和地。導線應利用顏色加以區分：紅色為5 V，黑色為2.5 V，綠色為GND。這有助於保持連接的有序性。

 

接下來

，在ADALM1000板和試驗板上的端子之間建立5 V電源和GND連接。使用跳線為電源軌供電。注意
，電源GND端子將是電路接地基準。有了電源連接之後，可能需要使用DMM直接探測IC引腳
，確保引腳7為5 V且引腳4為0 V（地）。

 

注意，使用電壓表測量電壓之前
，必須將ADALM1000插入USB端口。

 

單位增益放大器（電壓跟隨器）：

 

第一個運算放大器電路很簡單（如圖2所示）。這稱為單位增益緩衝器
，有時也稱為電壓跟隨器，它由轉換函數VOUT = VIN定義。乍一看
，它似乎是一個無用的器件，但正如我們稍後將展示的那樣，其有用之處在於高輸入電阻和低輸出電阻。

 

圖2.單位增益跟隨器

 

使用試驗板和ADALM1000電源，構建圖2所示的電路。請注意，此處未明確顯示電源連接。任何實際電路中都會進行這些連接（如上一步中所做的那樣），因此從這裏開始，原理圖中沒必要顯示它們。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。

 

通道A電壓發生器設置為1.0 V最小值和4.0 V最大值（3 V p-p，以2.5 V為中心），使用500 Hz正弦波。配置示波器
，使輸入信號跡線顯示為CA-V
，輸出信號跡線顯示為CB-V。導出所產生的兩個波形圖，並將其包含在實驗報告中，注意波形參數（峰值和頻率的基波時間周期）。你的波形應當確認其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。

 

緩衝示例：

 

運算放大器的高輸入電阻（零輸入電流）意味著發生器上的負載非常小；也就是說，沒有從源電路汲取電流，因此任何內部電阻（戴維寧等效值）上(shang)都(dou)沒(mei)有(you)電(dian)壓(ya)降(jiang)。所(suo)以(yi)，在(zai)這(zhe)種(zhong)配(pei)置(zhi)中(zhong)，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)類(lei)似(si)於(yu)緩(huan)衝(chong)器(qi)，屏(ping)蔽(bi)信(xin)號(hao)源(yuan)免(mian)受(shou)係(xi)統(tong)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)帶(dai)來(lai)的(de)負(fu)載(zai)效(xiao)應(ying)。從(cong)負(fu)載(zai)電(dian)路(lu)的(de)角(jiao)度(du)看(kan)
，緩(huan)衝(chong)器(qi)將(jiang)非(fei)理(li)想(xiang)電(dian)壓(ya)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)近(jin)乎(hu)理(li)想(xiang)的(de)電(dian)壓(ya)源(yuan)。圖(tu)3給出了一個簡單的電路
，我們可以用它來演示單位增益緩衝器的這個特性。這裏，緩衝器插在分壓器電路和某一負載電阻（10 kΩ電阻）之間。

 

圖3.緩衝器示例

 

斷開電源並將電阻添加到電路中
，如圖3所示（注意這裏沒有更改運算放大器連接，我們隻是相對於圖2翻轉了運算放大器符號以更好地安排導線）。

 

重新連接電源，並將波形發生器設置為500 Hz正弦波、0.5 V最小值和4.5 V最大值（4 V p-p，以2.5 V為中心）。同時觀察VIN CA-V和VOUT CB-H，並在實驗報告中記錄幅度。使用示波器輸入CB-H還能測量運算放大器引腳3上的信號幅度。

 

圖形實例如圖4所示。

 

圖4.緩衝器曲線

 

移除10 kΩ負載，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度。現在移動引腳3和2.5 V之間的1 kΩ負載，使其與4.7 kΩ電阻並聯。記錄輸出幅度如何變化。你能預測新的輸出幅度嗎？

 

簡單放大器配置

 

反相放大器：

 

圖5所示為常規反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負載電阻。

 

圖5.反相放大器配置

 

現在使用R2 = 4.7kΩ組裝圖5suoshidefanxiangfangdaqidianlu。zuzhuangxindianluzhiqian
，qingjizhuduankaidianyuan。genjuxuyaoqiegehewanqudianzuyinxian

，shiqipingfangzaidianlubanbiaomian，bingweimeigelianjieshiyongzuiduandetiaoxian（如圖1所示）。記住，試驗板有很大的靈活性。例如，電阻R2的引線不一定要將運算放大器從引腳2橋接到引腳6
；你可以使用中間節點和跳線來繞過該器件。

 

重新連接電源並觀察電流消耗，確保沒有意外短路。現在將波形發生器調整為500 Hz正弦波
，設置為2.1 V最小值和2.9 V最大值（0.8 V p-p，以2.5 V為中心），並再次在示波器上顯示輸入和輸出。測量和記錄此電路的電壓增益，並與課堂上討論的原理進行比較。導出輸入/輸出波形圖

，並將其包含在實驗報告中。

 

圖形實例如圖6所示。

 

圖6.反相放大器曲線

 

趁chen此ci機ji會hui說shuo一yi下xia電dian路lu調tiao試shi。在zai課ke堂tang中zhong的de某mou個ge時shi候hou，你ni可ke能neng無wu法fa讓rang電dian路lu工gong作zuo。這zhe並bing不bu意yi外wai
，沒mei有you人ren是shi完wan美mei的de。但dan是shi
，你ni不bu應ying簡jian單dan地di認ren為wei電dian路lu不bu工gong作zuo必bi定ding意yi味wei著zhe器qi件jian或huo實shi驗yan儀yi器qi有you故gu障zhang。這zhe基ji本ben上shang不bu是shi事shi實shi
，99%dedianluwentidoushijiandandejiexianhuodianyuancuowu。jibianshijingyanfengfudegongchengshiyehuibushichucuo
，yinci，xuehuiruhetiaoshidianluwentishixuexiguochengzhongfeichangzhongyaodeyibufen。weinizhenduancuowubushizhujiaodezeren，ruguoniyizhezhongfangshiyilaiqitaren
，namenijiucuoguoleshiyandeyigeguanjiandian，nijiangbudakenengzaiyihoudekechengzhongqudechenggong。chufeinideyunsuanfangdaqimaoyan，dianzushangchuxianlezongseshaoshanghenji，huozhedianrongfashengbaozha
，fouzenideyuanqijianhenkenengmeiwenti。shishishang
，daduoshuqijianzaifashengzhongdasunshangzhiqiandounengrongrenyidingchengdudelanyong。dangshiqingbumiaoshi，zuihaodebanfajiushiduankaidianyuanbingxunzhaoyigejiandandejieshi，erbuyaojizhezeguaiqijianhuoshebei。zaizhefangmian，DMM可是一件十分有價值的調試工具。

 

輸出飽和：

 

現在將圖5中的反饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ。現在的增益是多少？將輸入信號的幅度緩慢增加至2 V
，仍然以2.5 V為(wei)中(zhong)心(xin)，並(bing)將(jiang)波(bo)形(xing)導(dao)出(chu)到(dao)實(shi)驗(yan)室(shi)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)中(zhong)。任(ren)何(he)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)最(zui)終(zhong)都(dou)會(hui)受(shou)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)限(xian)製(zhi)，而(er)在(zai)很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，由(you)於(yu)電(dian)路(lu)中(zhong)存(cun)在(zai)內(nei)部(bu)電(dian)壓(ya)降(jiang)，實(shi)際(ji)限(xian)製(zhi)要(yao)遠(yuan)小(xiao)於(yu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。根(gen)據(ju)你(ni)的(de)以(yi)上(shang)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)量(liang)化(hua)AD8541的內部壓降。如果你有時間，可嚐試用OP97或OP27放大器替換AD8541，並比較它能產生的最小和最大輸出電壓。

 

求和放大器電路：

 

圖7所示電路是一個帶有四個輸入的基本反相放大器，稱為求和放大器。圖7的配置與你在教科書中看到的略有不同，因為ADALM1000隻提供單個正電源電壓。放大器的同相(+)輸入連接到2.5 V
，即電源電壓的一半，而不是接地。這就改變了求和放大器方程式。輸入電阻上出現的輸入電壓現在是相對於2.5 V（即所謂共模電平）進行測量。它們應減去2.5 V，因此0 VIN變為-2.5 V，+3.3 VIN變為+0.8 V。輸出電壓也應相對於+2.5 V電平來測量。為使常規方程式正確，輸出電壓也將減去2.5 V共模電平。另一種思路是考慮所有輸入均為2.5 V（或懸空）的情況。任何輸入電阻中都沒有電流流動（其兩端的電壓為0 V），因此反饋電阻中也沒有電流流過（其電壓為0 V）。輸出電壓將為2.5 V。

 

此電路使用四個數字輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為輸入電壓源。每個數字輸出具有接近0 V的低輸出電壓或接近3.3 V的高輸出電壓。使用疊加（並校正2.5 V共模電平），我們可以證明VOUT是VPIO0、VPIO1、VPIO2和VPIO3的線性和，其中每個都有自己獨特的增益或比例係數（由1 kΩ反饋電阻除以各自電阻所得的比值設定）。

 

PIO 0值最高，輸出變化最小（最低有效位），PIO 3值最低
，輸出變化最大（最高有效位）。請注意，PIO 3電阻由兩個4.7 kΩ電阻並聯而成。

 

圖7.求和放大器配置

 

斷開電源後，修改反相放大器電路，如圖7所suo示shi。重zhong新xin連lian接jie電dian源yuan，然ran後hou使shi用yong數shu字zi輸shu出chu控kong件jian填tian寫xie以yi下xia兩liang個ge表biao格ge。在zai第di一yi個ge表biao格ge中zhong，記ji錄lu每mei個ge數shu字zi輸shu出chu的de低di電dian壓ya和he高gao電dian壓ya。在zai高gao阻zu模mo式shi下xia使shi用yongCB-H示波器輸入來完成此任務。在第二個表格中
，記錄PIO 0
、PIO 1
、PIO 2

、PIO 3的所有16種1和0組合的輸出電壓。你還應確認，當所有四位懸空或處於高阻(X)狀態時，輸出電壓確實為2.5 V。

 

表1.低電壓和高電壓

 

表2.輸出電壓

 

使用電阻值計算每個輸入組合的預期輸出電壓，並與測量值進行比較。

 

同相放大器：

 

同相放大器配置如圖8所示。與單位增益緩衝器一樣，此電路具有（通常）較好的高輸入電阻特性，因此它可用於緩衝增益大於1的非理想信號源。

 

圖8.具有增益的同相放大器

 

組裝圖8所示的同相放大器電路。組裝新電路之前，請記得關閉電源。從R2 =1 kΩ開始。

 

施加一個500 Hz正弦波，CA-V設置為2.0 V最小值和3.0 V最大值（1 V p-p，以2.5 V為中心），bingzaishiboqishangxianshishuruheshuchuboxing。celiangcidianludedianyazengyi，bingyuketangshangtaolundeyuanlijinxingbijiao。daochuboxingtubingjiangqibaohanzaishiyanbaogaozhong。

 

圖形實例如圖9所示。

 

圖9.同相放大器曲線

 

將反饋電阻(R2)從1 kΩ增加到約4.7 kΩ。記住，你可能需要降低輸入的幅度以防止輸出飽和（削波）。現在的增益是多少
？

 

增加反饋電阻，直到削波開始——也就是說，直到輸出信號的峰值因為輸出飽和而開始變平。記錄這種情況發生時的電阻。現在將反饋電阻增加到100 kΩ。在你的筆記本中描述並繪製波形。此時的理論增益是多少？考慮此增益
，輸入信號必須小到什麼程度才能使輸出電平始終低於5 V
？嚐試將波形發生器調整為此值。描述所實現的輸出。

 

zuihouyibuqiangtiaogaozengyifangdaqidezhongyaokaolvyinsu。duiyuxiaoshurudianping
，gaozengyibiranyiweizhedashuchu。youshihou，zhekenengdaozhiyiwaibaohe，yuanyinshiduimouxiedidianpingzaoshenghuoganraojinxinglefangda


，liruduishiquzidianlixiandezasan60 Hz信號的放大。放大器會放大輸入端的任何信號......無論你是否需要！

 

運算放大器用作比較器

 

將運算放大器配置為比較器

，便可利用運算放大器的高固有增益和輸出飽和效應
，如圖10所示。這本質上是一個二元狀態決策電路：如果“+”端子上的電壓大於“–”端子上的電壓
，VIN > VREF，則輸出變為高電平（在其最大值時飽和）。相反，如果 VIN < VREF，則輸出變為低電平。電路比較兩個輸入端的電壓，根據相對值產生輸出。與之前的所有電路不同，輸入和輸出之間沒有反饋；對於這種情況，我們說電路是開環運行的。

 

圖10.運算放大器用作比較器

 

bijiaoqideshiyongfangshibutong
，zaiyihoudebufenzhongwomenhuikandaotadeshijiyingyong。zaizheli，womenjiangyichangjianpeizhishiyongbijiaoqi
，shengchengjuyoukebianmaichongkuandudefangbo。shouxianduankaidianyuanbingzuzhuangdianlu。zaifanxiangshuruVREF上使用固定的2.5 V輸出作為直流電源。

 

同樣，在同相輸入端配置波形發生器CA-V：500 Hz頻率、2 V最小值和3 V最大值的三角波（以2.5 V為中心）。重新連接電源後，導出輸入和輸出波形。

 

圖形實例如圖11所示。

 

圖11.運放比較器曲線

 

現在通過增大（正移位）或減小（負移位）最小值和最大值來緩慢移動三角波的中心

，並觀察輸出發生的情況。你能予以解釋嗎
？

 

對正弦波和鋸齒波輸入波形重複上述步驟
，並在實驗報告中記錄你的觀察結果。

 

問題：

 

壓擺率：如何測量和計算單位增益緩衝器配置的壓擺率？將其與OP97數據手冊中列出的值進行比較。

 

求和電路：使用疊加導出圖8電路的預期傳遞特性。根據VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出輸出電壓。將理想關係的預測與你的數據進行比較。

 

比較器：如果VREF的極性反轉會發生什麼？

 

以上問題可在學子專區博客上找到答案。

 

作者簡介：Doug Mercer [doug.mercer@analog.com]於1977年畢業於倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來
，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，並擁有13項專利。他於1995年被任命為ADI研究員。2009年
，他從全職工作轉型，並繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問
，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE係的駐校工程師。

 

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]現為ADI公司的係統應用工程師，從事ADI教學項目工作
，同時為實驗室電路®和QA流程管理開發嵌入式軟件。他於2017年2月在羅馬尼亞Cluj-Napoca加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

 

 

推薦閱讀：