【導(dǎo)讀】在本實(shí)驗(yàn)中，我們介紹一種有源電路——運(yùn)算放大器，其某些特性（高輸入電阻、低輸出電阻和大差分增益）使其成為接近理想的放大器，并且是很多電路應(yīng)用中的有用構(gòu)建模塊。在本實(shí)驗(yàn)中，您將了解有源電路的直流偏置，并探索若干基本功能運(yùn)算放大器電路。我們還將利用此實(shí)驗(yàn)繼續(xù)培養(yǎng)使用實(shí)驗(yàn)室硬件的技能。
材料
● ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無焊面包板和跳線套件
● 一個(gè)1 kΩ電阻
● 兩個(gè)4.7 kΩ電阻
● 兩個(gè)10 kΩ電阻
● 兩個(gè)OP97（低壓擺率放大器隨附新版本ADALP2000模擬部件套件）
● 兩個(gè)0.1 μF電容（徑向引線）
1.1 運(yùn)算放大器基礎(chǔ)知識(shí)
第一步：連接直流電源
運(yùn)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，然后添加其他電路元件。圖1顯示了無焊面包板上一種可能的電源配置。我們將兩根長軌用于提供正負(fù)電源電壓，另兩根用于可能需要的接地連接。板上包括電源去耦電容，其連接在電源和接地軌之間。現(xiàn)在詳細(xì)討論這些電容的用途還為時(shí)過早，主要是用于降低電源線上的噪聲并避免寄生振蕩。在模擬電路設(shè)計(jì)中，在電路中每個(gè)運(yùn)算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容是一種良好的做法。
將運(yùn)算放大器插入面包板，然后添加導(dǎo)線和電容，如圖1所示。為避免以后出現(xiàn)問題，可能需要在面包板上貼一個(gè)小標(biāo)簽，指示哪些電源軌對(duì)應(yīng)+Vp、-Vn和地。應(yīng)利用顏色區(qū)分導(dǎo)線，紅色為Vp，黑色為Vn，綠色為地，這有助于實(shí)現(xiàn)有序連接。
圖1. 電源連接。
接下來，在ADALM2000板和面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(zhǔn)。完成電源連接之后，可能需要使用數(shù)字萬用表（DMM）直接探測(cè)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(cè)量電壓之前，必須運(yùn)行Scopy軟件并已打開電源。
單位增益放大器（電壓跟隨器）
背景知識(shí)：
第一個(gè)運(yùn)算放大器電路（如圖2所示）很簡單。這稱為單位增益緩沖器，有時(shí)也稱為電壓跟隨器，它由轉(zhuǎn)換函數(shù) VOUT = VIN定義。 乍一看，該電路似乎是一個(gè)無用的器件，但正如我們稍后將展示的那樣，其有用之處在于高輸入電阻和低輸出電阻。
圖2. 單位增益跟隨器。
硬件設(shè)置
使用面包板和ADALM2000電源，構(gòu)建圖3所示的電路。請(qǐng)注意，此處未明確顯示電源連接。任何實(shí)際電路中都會(huì)進(jìn)行電源的連接（如上一步中所做的那樣），因此從現(xiàn)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(fā)生器和示波器引線。別忘了將示波器負(fù)輸入引線C1-和C2-接地（原理圖中未顯示接地連接）。
圖3. 單位增益跟隨器面包板電路。
步驟
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作VIN源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵(lì)。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號(hào)，通道1上顯示輸出信號(hào)。導(dǎo)出所產(chǎn)生的兩個(gè)波形圖，并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，注意波形參數(shù)（峰值和基波時(shí)間周期或頻率）。您的波形應(yīng)當(dāng)確認(rèn)其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。
產(chǎn)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(duì)于理想的運(yùn)算放大器，輸出將會(huì)精確跟隨任何輸入信號(hào)，但在實(shí)際放大器中，輸出信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)立即響應(yīng)輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)是一個(gè)快速變化的時(shí)間函數(shù)時(shí)，可以觀察到這種非理想特性。對(duì)于大幅度信號(hào)，此限制通過壓擺率進(jìn)行量化，即運(yùn)算放大器能夠提供的輸出電壓的最大變化率（斜率）。壓擺率通 常以V/μs表示。
將波形發(fā)生器設(shè)置為生成2 V幅度的方波信號(hào)，增加頻率直到看到明顯偏離理想行為，即當(dāng)輸出開始看起來更像梯形而不是方波時(shí)。可能需要調(diào)整示波器顯示上的時(shí)間量程(sec/div)來觀察這種情況。此時(shí)導(dǎo)出輸出波形圖并測(cè)量其10%至90%的上升時(shí)間（和90%至10%的下降時(shí)間），如圖5中所定義。另請(qǐng)注意輸出信號(hào)的峰峰值電壓。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算并記錄上升和下降輸出的壓擺率。評(píng)論為什么對(duì)上升沿和下降沿的響應(yīng)可能會(huì)不同。
圖5. 壓擺率。
圖6給出了一個(gè)壓擺率示例波形。
圖6給出了一個(gè)壓擺率示例波形。
緩沖示例
運(yùn)算放大器具有高輸入電阻（零輸入電流）意味著發(fā)生器上的負(fù)載非常小；即沒有從源電路汲取電流，因此任何內(nèi)部戴維寧電阻上都沒有壓降。所以，在這種配置中，運(yùn)算放大器的作用類似于“緩沖器”，可屏蔽信號(hào)源，使其免受系統(tǒng)其他部分負(fù)載效應(yīng)的影響。從負(fù)載電路的角度看，緩沖器將非理想電壓源轉(zhuǎn)換成近乎理想的電壓源。圖7給出了一個(gè)簡單的電路，我們可以用它來演示單位增益緩沖器的這個(gè)特性。在圖中，緩沖器設(shè)置在分壓器電路和某一負(fù)載電阻之間。
圖7. 緩沖器示例
關(guān)閉電源并將電阻添加到電路中，如圖7所示（注意這里沒有更改運(yùn)算放大器連接，我們只是相對(duì)于圖2翻轉(zhuǎn)了運(yùn)算放大器符號(hào)）。
打開電源并將波形發(fā)生器設(shè)置為生成具有4 V幅度的1 kHz正弦信號(hào)。使用示波器同時(shí)觀察 VIN 和 VOUT在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄幅度。
移除10 kΩ負(fù)載，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度。
現(xiàn)在移動(dòng)引腳3和地之間的1 kΩ負(fù)載，使其與4.7 kΩ電阻并聯(lián)。記錄輸出幅度如何變化。您能預(yù)測(cè)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(shí)：
圖8所示為常規(guī)反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負(fù)載電阻。
圖8. 反相放大器配置。
硬件設(shè)置
現(xiàn)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(qǐng)記得關(guān)閉電源。根據(jù)具體需要切割和彎曲電阻引線，使其平放在電路板表面，并為每個(gè)連接使用最短的跳線（如圖1所示）。記住，使用面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(yùn)算放大器引腳2和引腳6之間；可以使用中間節(jié)點(diǎn)和跳線來繞過該器件。
圖9. 反相放大器面包板電路
打開電源并觀察電流消耗，確保沒有意外短路。現(xiàn)在調(diào)整波形發(fā)生器，在輸入端 (VIN)產(chǎn)生2 V幅度、1 kHz正弦波，并再次在示 波器上顯示輸入和輸出波形。測(cè)量和記錄此電路的電壓增益，并與討論過的理論值進(jìn)行比較。導(dǎo)出輸入/輸出波形圖并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。
借此機(jī)會(huì)說一下電路調(diào)試。在練習(xí)中，可能會(huì)遇到電路無法工作的情況。這也在意料之中，沒有人能做到十全十美。但是，不應(yīng)認(rèn)為電路不工作必定意味著器件或?qū)嶒?yàn)儀器有故障。事實(shí)往往并非如此，99%的電路問題都是簡單的接線或電源錯(cuò)誤。即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師也會(huì)不時(shí)犯錯(cuò)，因此，學(xué)會(huì)如何調(diào)試電路并解決問題是學(xué)習(xí)過程中非常重要的一部分。為您診斷錯(cuò)誤不是助教的責(zé)任，如果您以這種方式依賴其他人，那么您就錯(cuò)過了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，您將很難在以后的課程中取得成功。除非運(yùn)算放大器冒煙或電阻上出現(xiàn)了棕色燒傷痕跡或者電容發(fā)生爆炸，否則您的元器件很可能沒問題。事實(shí)上，大多數(shù)器件在發(fā)生重大損傷之前都能容忍一定程度的濫用。當(dāng)電路方案行不通時(shí)，建議關(guān)閉電源并尋找原因，而不是歸咎于器件或設(shè)備問題。在這方面，數(shù)字萬用表（DMM）是一件十分有價(jià)值的調(diào)試工具。
步驟
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵(lì)。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號(hào)，通道1上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)生的波形如圖10所示。
圖10. 反相放大器波形。
輸出飽和
現(xiàn)在將圖8中的反饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ。現(xiàn)在的增益是多少？將輸入信號(hào)的幅度緩慢增加至2 V，并將波形導(dǎo)出到實(shí)驗(yàn)室筆記本電腦中。任何運(yùn)算放大器的輸出電壓最終都會(huì)受電源電壓的限制，而在很多情況下，由于電路中存在內(nèi)部電壓降，實(shí)際限制要遠(yuǎn)小于電源電壓。根據(jù)測(cè)量結(jié)果量化OP97的內(nèi)部壓降。
求和放大器電路
背景知識(shí)
圖11所示電路是一個(gè)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(gè)都有自己獨(dú)特的增益或比例系數(shù)。
圖11. 求和放大器配置。
硬件設(shè)置
關(guān)閉電源后，修改反相放大器電路，如圖12所示。將第二個(gè)波形發(fā)生器輸出用于 VIN2。將幅度設(shè)置為零，這樣就可以在實(shí)驗(yàn)中從零調(diào)高。
圖12. 求和放大器面包板電路。
N現(xiàn)在為 VIN1 施加2 V幅度正弦波，并為 VIN2施加1 V直流電壓。觀察并記錄示波器界面上的輸入/輸出波形。密切注意示波器界面上輸出通道的接地信號(hào)電平。以這種方式使用時(shí)，這樣的電路可以稱為電平轉(zhuǎn)換器。
調(diào)整波形發(fā)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(fā)生器W1的偏置重置為零。將示波器的通道2（連接到運(yùn)算放大器輸出的通道）設(shè)置為2 V/div時(shí)，緩慢增加波形發(fā)生器W2的偏置電壓 VIN2。 VOUT會(huì)怎樣？記錄輸出的直流電壓。
R將波形發(fā)生器W2的偏置電壓恢復(fù)為大約1 V。將示波器設(shè)置為1 V/div并調(diào)整示波器，這樣就可以看到完整的 VOUT 波形。將 VIN2 調(diào)回到上一步中增加到的值。 VOUT l的示波器曲線會(huì)是什么樣子？放大器看起來是在放大嗎？
步驟
U將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵(lì)。第二個(gè)波形發(fā)生器用于產(chǎn)生1 V 恒定電壓。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號(hào)，通道1上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)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(shí)
同相放大器配置如圖14所示。與單位增益緩沖器一樣，此電路具有（通常）較好的高輸入電阻特性，因此它可用于緩沖非理想信號(hào)源：
圖14. 具有增益的同相放大器。
硬件設(shè)置
組裝圖15所示的同相放大器電路。組裝新電路之前，請(qǐng)記得關(guān)閉電源。首先將R2 設(shè)置為1 kΩ。
圖15. 同相放大器面包板電路。
在輸入端施加2 V幅度、1 kHz正弦波，并在示波器上顯示輸入和輸出。測(cè)量此電路的電壓增益，并與之前討論的理論值進(jìn)行比較。導(dǎo)出波形圖并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。
將反饋電阻(R2)從1 kΩ增加到約5 kΩ。現(xiàn)在的增益是多少？
進(jìn)一步增加反饋電阻，直到信號(hào)出現(xiàn)削波，也就是說，直到輸出信號(hào)的峰值因?yàn)檩敵鲲柡投_始變平。記錄這種情況發(fā)生時(shí)的電阻值。現(xiàn)在將反饋電阻增加到100 kΩ。在您的筆記本電腦中查看繪制的波形。此時(shí)的理論增益是多少？考慮此增益，輸入信號(hào)必須小到什么程度才能使輸出電平始終低于5 V？嘗試將波形發(fā)生器調(diào)整到此值。描述所得到的輸出。
最后一步強(qiáng)調(diào)高增益放大器的重要考慮因素。對(duì)于小輸入電平，高增益必然意味著大輸出。有時(shí)，由于某些低電平噪聲或干擾放大，可能會(huì)導(dǎo)致意外飽和，例如有時(shí)可能拾取電力線中的60 Hz（或者50 Hz）雜散信號(hào)，并將其放大。放大器會(huì)放大輸入端的任何信號(hào)，無論您是否需要！
步驟
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵(lì)。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號(hào)，通道1上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)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(jì)算R1 = 1 kΩ且R2 = 4.7 kΩ時(shí)的增益。
● 考慮圖14中的同相放大器，計(jì)算R1 = 1 kΩ且R2 = 1 kΩ時(shí)的增益。
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