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

 

對dui於yu理li想xiang的de運yun算suan放fang大da器qi，輸shu出chu將jiang會hui精jing確que跟gen隨sui任ren何he輸shu入ru信xin號hao，但dan在zai實shi際ji放fang大da器qi中zhong，輸shu出chu信xin號hao永yong遠yuan不bu會hui立li即ji響xiang應ying輸shu入ru信xin號hao。當dang輸shu入ru信xin號hao是shi一yi個ge快kuai速su變bian化hua的de時shi間jian函han數shu時shi，可ke以yi觀guan察cha到dao這zhe種zhong非fei理li想xiang特te性xing。對dui於yu大da幅fu度du信xin號hao，此ci限xian製zhi通tong過guo壓ya擺bai率lv進jin行xing量liang化hua，即ji運yun算suan放fang大da器qi能neng夠gou提ti供gong的de輸shu出chu電dian壓ya的de最zui大da變bian化hua率lv（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5zhongsuodingyi。lingqingzhuyishuchuxinhaodefengfengzhidianya。genjuceliangjieguojisuanbingjilushangshenghexiajiangshuchudeyabailv。pinglunweishenmeduishangshengyanhexiajiangyandexiangyingkenenghuibutong。

 

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。

 

jiecijihuishuoyixiadianlutiaoshi。zailianxizhong，kenenghuiyudaodianluwufagongzuodeqingkuang。zheyezaiyiliaozhizhong，meiyourennengzuodaoshiquanshimei。danshi

，buyingrenweidianlubugongzuobidingyiweizheqijianhuoshiyanyiqiyouguzhang。shishiwangwangbingfeiruci，99%dedianluwentidoushijiandandejiexianhuodianyuancuowu。jibianshijingyanfengfudegongchengshiyehuibushifancuo，yinci
，xuehuiruhetiaoshidianlubingjiejuewentishixuexiguochengzhongfeichangzhongyaodeyibufen。weininzhenduancuowubushizhujiaodezeren，ruguoninyizhezhongfangshiyilaiqitaren，nameninjiucuoguoleshiyandeyigeguanjiandian
，ninjianghennanzaiyihoudekechengzhongqudechenggong。chufeiyunsuanfangdaqimaoyanhuodianzushangchuxianlezongseshaoshanghenjihuozhedianrongfashengbaozha
，fouzenindeyuanqijianhenkenengmeiwenti。shishishang，daduoshuqijianzaifashengzhongdasunshangzhiqiandounengrongrenyidingchengdudelanyong。dangdianlufanganxingbutongshi
，jianyiguanbidianyuanbingxunzhaoyuanyin
，erbushiguijiuyuqijianhuoshebeiwenti。zaizhefangmian，shuziwanyongbiao（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huaOP97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 kHzzhengxianbo
，bingzaishiboqishangxianshishuruheshuchu。celiangcidianludedianyazengyi
，bingyuzhiqiantaolundelilunzhijinxingbijiao。daochuboxingtubingjiangqibaohanzaishiyanbaogaozhong。

 

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(dao)100 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de60 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。

 

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