材料

 

● ADALM2000主動學習模塊

● 無焊麵包板和跳線套件

● 一個1 kΩ電阻

● 兩個4.7 kΩ電阻

● 兩個10 kΩ電阻

● 兩個OP97（低壓擺率放大器隨附新版本ADALP2000模擬部件套件）

● 兩個0.1 μF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

運算放大器必須始終采用直流電源供電，因此建議先配置這些連接，然後添加其他電路元件。圖1顯(xian)示(shi)了(le)無(wu)焊(han)麵(mian)包(bao)板(ban)上(shang)一(yi)種(zhong)可(ke)能(neng)的(de)電(dian)源(yuan)配(pei)置(zhi)。我(wo)們(men)將(jiang)兩(liang)根(gen)長(chang)軌(gui)用(yong)於(yu)提(ti)供(gong)正(zheng)負(fu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)
，另(ling)兩(liang)根(gen)用(yong)於(yu)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)的(de)接(jie)地(di)連(lian)接(jie)。板(ban)上(shang)包(bao)括(kuo)電(dian)源(yuan)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)
，其(qi)連(lian)接(jie)在(zai)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)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)
，主(zhu)要(yao)是(shi)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)，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)是(shi)一(yi)種(zhong)良(liang)好(hao)的(de)做(zuo)法(fa)。

 

將運算放大器插入麵包板，然後添加導線和電容
，如圖1所示。為避免以後出現問題
，可能需要在麵包板上貼一個小標簽

，指示哪些電源軌對應+Vp、-Vn和地。應利用顏色區分導線
，紅色為Vp，黑色為Vn，綠色為地
，這有助於實現有序連接。

 

圖1. 電源連接。

 

接下來，在ADALM2000板和麵包板上的端子之間建立電源和GND連接。使用跳線為電源軌供電，如圖所示。注意
，電源GND端子將是電路接地基準。完成電源連接之後，可能需要使用數字萬用表（DMM）直接探測IC引腳，確保引腳7為5 V
，引腳4為-5 V。注意
，使用電壓表測量電壓之前，必須運行Scopy軟件並已打開電源。

 

單位增益放大器（電壓跟隨器）

 

背景知識：

 

第一個運算放大器電路（如圖2所示）很簡單。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，該電路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。

 

硬件設置

 

使用麵包板和ADALM2000電源，構建圖3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電源的連接（如上一步中所做的那樣），因此從現在開始沒必要都在原理圖中顯示出來。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發生器和示波器引線。別忘了將示波器負輸入引線C1-和C2-接地（原理圖中未顯示接地連接）。

 

圖3. 單位增益跟隨器麵包板電路。

 

步驟

 

將第一個波形發生器用作VIN源
，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號

，通道1上顯示輸出信號。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（峰值和基波時間周期或頻率）。您的波形應當確認其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。

 

產生的波形如圖4所示。

 

圖4. 單位增益跟隨器波形

 

壓擺率限值

 

duiyulixiangdeyunsuanfangdaqi
，shuchujianghuijingquegensuirenheshuruxinhao
，danzaishijifangdaqizhong，shuchuxinhaoyongyuanbuhuilijixiangyingshuruxinhao。dangshuruxinhaoshiyigekuaisubianhuadeshijianhanshushi

，keyiguanchadaozhezhongfeilixiangtexing。duiyudafuduxinhao，cixianzhitongguoyabailvjinxinglianghua，jiyunsuanfangdaqinenggoutigongdeshuchudianyadezuidabianhualv（斜率）。壓擺率通 常以V/μs表示。

 

將波形發生器設置為生成2 V幅(fu)度(du)的(de)方(fang)波(bo)信(xin)號(hao)，增(zeng)加(jia)頻(pin)率(lv)直(zhi)到(dao)看(kan)到(dao)明(ming)顯(xian)偏(pian)離(li)理(li)想(xiang)行(xing)為(wei)
，即(ji)當(dang)輸(shu)出(chu)開(kai)始(shi)看(kan)起(qi)來(lai)更(geng)像(xiang)梯(ti)形(xing)而(er)不(bu)是(shi)方(fang)波(bo)時(shi)。可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)調(tiao)整(zheng)示(shi)波(bo)器(qi)顯(xian)示(shi)上(shang)的(de)時(shi)間(jian)量(liang)程(cheng)(sec/div)來觀察這種情況。此時導出輸出波形圖並測量其10%至90%的上升時間（和90%至10%的下降時間），如圖5中(zhong)所(suo)定(ding)義(yi)。另(ling)請(qing)注(zhu)意(yi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)峰(feng)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)。根(gen)據(ju)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)計(ji)算(suan)並(bing)記(ji)錄(lu)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)輸(shu)出(chu)的(de)壓(ya)擺(bai)率(lv)。評(ping)論(lun)為(wei)什(shen)麼(me)對(dui)上(shang)升(sheng)沿(yan)和(he)下(xia)降(jiang)沿(yan)的(de)響(xiang)應(ying)可(ke)能(neng)會(hui)不(bu)同(tong)。

 

圖5. 壓擺率。

 

圖6給出了一個壓擺率示例波形。

 

圖6給出了一個壓擺率示例波形。

 

緩衝示例

 

運算放大器具有高輸入電阻（零輸入電流）意味著發生器上的負載非常小；即沒有從源電路汲取電流，因此任何內部戴維寧電阻上都沒有壓降。所以，在這種配置中，運算放大器的作用類似於“緩衝器”，可屏蔽信號源，使其免受係統其他部分負載效應的影響。從負載電路的角度看，緩衝器將非理想電壓源轉換成近乎理想的電壓源。圖7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。在圖中，緩衝器設置在分壓器電路和某一負載電阻之間。

 

圖7. 緩衝器示例

 

關閉電源並將電阻添加到電路中，如圖7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）。

 

打開電源並將波形發生器設置為生成具有4 V幅度的1 kHz正弦信號。使用示波器同時觀察 VIN 和 VOUT在實驗報告中記錄幅度。

 

移除10 kΩ負載
，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度。

 

現在移動引腳3和地之間的1 kΩ負載，使其與4.7 kΩ電阻並聯。記錄輸出幅度如何變化。您能預測新的輸出幅度嗎
？

 

1.2 放大器的簡單配置

 

反相放大器

 

背景知識：

 

圖8所示為常規反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負載電阻。

 

圖8. 反相放大器配置。

 

硬件設置

 

現在組裝圖9所示的反相放大器電路，其中R2 = 4.7 kΩ。組裝新電路之前

，請記得關閉電源。根據具體需要切割和彎曲電阻引線，使其平放在電路板表麵，並為每個連接使用最短的跳線（如圖1所示）。記住，使用麵包板有很大的靈活性。例如
，電阻R2的引線不一定要直接連接在將運算放大器引腳2和引腳6之間；可以使用中間節點和跳線來繞過該器件。

 

圖9. 反相放大器麵包板電路

 

打開電源並觀察電流消耗
，確保沒有意外短路。現在調整波形發生器，在輸入端 (VIN)產生2 V幅度、1 kHz正弦波，並再次在示 波器上顯示輸入和輸出波形。測量和記錄此電路的電壓增益

，並與討論過的理論值進行比較。導出輸入/輸出波形圖並將其包含在實驗報告中。

 

借jie此ci機ji會hui說shuo一yi下xia電dian路lu調tiao試shi。在zai練lian習xi中zhong
，可ke能neng會hui遇yu到dao電dian路lu無wu法fa工gong作zuo的de情qing況kuang。這zhe也ye在zai意yi料liao之zhi中zhong，沒mei有you人ren能neng做zuo到dao十shi全quan十shi美mei。但dan是shi
，不bu應ying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。事shi實shi往wang往wang並bing非fei如ru此ci，99%的(de)電(dian)路(lu)問(wen)題(ti)都(dou)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)接(jie)線(xian)或(huo)電(dian)源(yuan)錯(cuo)誤(wu)。即(ji)便(bian)是(shi)經(jing)驗(yan)豐(feng)富(fu)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)也(ye)會(hui)不(bu)時(shi)犯(fan)錯(cuo)，因(yin)此(ci)
，學(xue)會(hui)如(ru)何(he)調(tiao)試(shi)電(dian)路(lu)並(bing)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)是(shi)學(xue)習(xi)過(guo)程(cheng)中(zhong)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。為(wei)您(nin)診(zhen)斷(duan)錯(cuo)誤(wu)不(bu)是(shi)助(zhu)教(jiao)的(de)責(ze)任(ren)，如(ru)果(guo)您(nin)以(yi)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)依(yi)賴(lai)其(qi)他(ta)人(ren)，那(na)麼(me)您(nin)就(jiu)錯(cuo)過(guo)了(le)實(shi)驗(yan)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)點(dian)，您(nin)將(jiang)很(hen)難(nan)在(zai)以(yi)後(hou)的(de)課(ke)程(cheng)中(zhong)取(qu)得(de)成(cheng)功(gong)。除(chu)非(fei)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)冒(mao)煙(yan)或(huo)電(dian)阻(zu)上(shang)出(chu)現(xian)了(le)棕(zong)色(se)燒(shao)傷(shang)痕(hen)跡(ji)或(huo)者(zhe)電(dian)容(rong)發(fa)生(sheng)爆(bao)炸(zha)，否(fou)則(ze)您(nin)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)很(hen)可(ke)能(neng)沒(mei)問(wen)題(ti)。事(shi)實(shi)上(shang)，大(da)多(duo)數(shu)器(qi)件(jian)在(zai)發(fa)生(sheng)重(zhong)大(da)損(sun)傷(shang)之(zhi)前(qian)都(dou)能(neng)容(rong)忍(ren)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)濫(lan)用(yong)。當(dang)電(dian)路(lu)方(fang)案(an)行(xing)不(bu)通(tong)時(shi)，建(jian)議(yi)關(guan)閉(bi)電(dian)源(yuan)並(bing)尋(xun)找(zhao)原(yuan)因(yin)
，而(er)不(bu)是(shi)歸(gui)咎(jiu)於(yu)器(qi)件(jian)或(huo)設(she)備(bei)問(wen)題(ti)。在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)
，數(shu)字(zi)萬(wan)用(yong)表(biao)（DMM）是一件十分有價值的調試工具。

 

步驟

 

將第一個波形發生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號，通道1上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖10所示。

 

圖10. 反相放大器波形。

 

輸出飽和

 

現在將圖8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，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)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)量(liang)化(hua)OP97的內部壓降。

 

求和放大器電路

 

背景知識

 

圖11所示電路是一個帶有額外輸入的基本反相放大器
，稱為求和放大器。使用疊加法，我們可以證明 VOUT 是 VIN1 和 VIN2的線性和，其中每個都有自己獨特的增益或比例係數。

 

圖11. 求和放大器配置。

 

硬件設置

 

關閉電源後，修改反相放大器電路，如圖12所示。將第二個波形發生器輸出用於 VIN2。將幅度設置為零，這樣就可以在實驗中從零調高。

 

圖12. 求和放大器麵包板電路。

 

N現在為 VIN1 施加2 V幅度正弦波，並為 VIN2施加1 V直流電壓。觀察並記錄示波器界麵上的輸入/輸出波形。密切注意示波器界麵上輸出通道的接地信號電平。以這種方式使用時，這樣的電路可以稱為電平轉換器。

 

調整波形發生器W1的直流偏置 (VIN1)，直到 VOUT 具有零直流分量。通過觀察示波器上的輸入波形來估算所需的直流偏置（注意：它不是–VIN2)。

 

將波形發生器W1的偏置重置為零。將示波器的通道2（連接到運算放大器輸出的通道）設置為2 V/div時，緩慢增加波形發生器W2的偏置電壓 VIN2。 VOUT會怎樣
？記錄輸出的直流電壓。

 

R將波形發生器W2的偏置電壓恢複為大約1 V。將示波器設置為1 V/div並調整示波器，這樣就可以看到完整的 VOUT 波形。將 VIN2 調回到上一步中增加到的值。 VOUT l的示波器曲線會是什麼樣子？放大器看起來是在放大嗎？

 

步驟

 

U將第一個波形發生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。第二個波形發生器用於產生1 V 恒定電壓。配置示波器
，使通道2上顯示輸入信號，通道1上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖13所示。

 

圖13. 求和放大器波形。

 

同相放大器

 

背景知識

 

同相放大器配置如圖14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，因此它可用於緩衝非理想信號源：

 

圖14. 具有增益的同相放大器。

 

硬件設置

 

組裝圖15所示的同相放大器電路。組裝新電路之前
，請記得關閉電源。首先將R2 設置為1 kΩ。

 

圖15. 同相放大器麵包板電路。

 

在輸入端施加2 V幅度、1 kHz正(zheng)弦(xian)波(bo)，並(bing)在(zai)示(shi)波(bo)器(qi)上(shang)顯(xian)示(shi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)。測(ce)量(liang)此(ci)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)增(zeng)益(yi)

，並(bing)與(yu)之(zhi)前(qian)討(tao)論(lun)的(de)理(li)論(lun)值(zhi)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。導(dao)出(chu)波(bo)形(xing)圖(tu)並(bing)將(jiang)其(qi)包(bao)含(han)在(zai)實(shi)驗(yan)報(bao)告(gao)中(zhong)。

 

將反饋電阻(R2)從1 kΩ增加到約5 kΩ。現在的增益是多少？

 

進jin一yi步bu增zeng加jia反fan饋kui電dian阻zu，直zhi到dao信xin號hao出chu現xian削xue波bo，也ye就jiu是shi說shuo，直zhi到dao輸shu出chu信xin號hao的de峰feng值zhi因yin為wei輸shu出chu飽bao和he而er開kai始shi變bian平ping。記ji錄lu這zhe種zhong情qing況kuang發fa生sheng時shi的de電dian阻zu值zhi。現xian在zai將jiang反fan饋kui電dian阻zu增zeng加jia到dao100 kΩ。在您的筆記本電腦中查看繪製的波形。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到此值。描述所得到的輸出。

 

最(zui)後(hou)一(yi)步(bu)強(qiang)調(tiao)高(gao)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。對(dui)於(yu)小(xiao)輸(shu)入(ru)電(dian)平(ping)
，高(gao)增(zeng)益(yi)必(bi)然(ran)意(yi)味(wei)著(zhe)大(da)輸(shu)出(chu)。有(you)時(shi)，由(you)於(yu)某(mou)些(xie)低(di)電(dian)平(ping)噪(zao)聲(sheng)或(huo)幹(gan)擾(rao)放(fang)大(da)，可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)意(yi)外(wai)飽(bao)和(he)

，例(li)如(ru)有(you)時(shi)可(ke)能(neng)拾(shi)取(qu)電(dian)力(li)線(xian)中(zhong)的(de)60 Hz（或者50 Hz）雜散信號，並將其放大。放大器會放大輸入端的任何信號
，無論您是否需要！

 

步驟

 

將第一個波形發生器用作 VIN源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號
，通道1上顯示輸出信號。

 

產生的波形如圖16所示。

 

圖16. 同相放大器波形。

 

問題

 

● 考慮圖8中的反相放大器，計算R1 = 1 kΩ且R2 = 4.7 kΩ時的增益。

● 考慮圖14中的同相放大器，計算R1 = 1 kΩ且R2 = 1 kΩ時的增益。

 

您可以在 學子專區博客上找到問題答案。

 

 

推薦閱讀：