【導(dǎo)讀】在本實(shí)驗(yàn)中，我們將介紹一種有源電路——運(yùn)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）使它成為近乎理想的放大器，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，你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)發(fā)展使用實(shí)驗(yàn)室硬件的技能。
目標(biāo)：
在本實(shí)驗(yàn)中，我們將介紹一種有源電路——運(yùn)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）使它成為近乎理想的放大器，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，你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)發(fā)展使用實(shí)驗(yàn)室硬件的技能。
材料：
● ADALM1000硬件模塊
● 無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線套件
● 一個(gè)1 kΩ電阻
● 三個(gè)4.7 kΩ電阻
● 兩個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)20 kΩ電阻
● 兩個(gè)AD8541 器件（CMOS軌到軌放大器）
● 兩個(gè)0.1 μΩ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
必須為運(yùn)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(wú)焊試驗(yàn)板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長(zhǎng)軌用于正電源電壓和地，另一根用于可能需要的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)軌之間。現(xiàn)在詳細(xì)討論這些電容的用途還為時(shí)過(guò)早，只需知道它們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，務(wù)必在電路中每個(gè)運(yùn)算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容，這被認(rèn)為是良好實(shí)踐。
圖1.電源連接
將運(yùn)算放大器插入試驗(yàn)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(wèn)題，可能需要在試驗(yàn)板上貼一個(gè)小標(biāo)簽，指示哪些電源軌對(duì)應(yīng)5 V、2.5 V和地。導(dǎo)線應(yīng)利用顏色加以區(qū)分：紅色為5 V，黑色為2.5 V，綠色為GND。這有助于保持連接的有序性。
接下來(lái)，在ADALM1000板和試驗(yàn)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(zhǔn)。有了電源連接之后，可能需要使用DMM直接探測(cè)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(cè)量電壓之前，必須將ADALM1000插入U(xiǎn)SB端口。
單位增益放大器（電壓跟隨器）：
第一個(gè)運(yùn)算放大器電路很簡(jiǎn)單（如圖2所示）。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，它似乎是一個(gè)無(wú)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
使用試驗(yàn)板和ADALM1000電源，構(gòu)建圖2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)行這些連接（如上一步中所做的那樣），因此從這里開(kāi)始，原理圖中沒(méi)必要顯示它們。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發(fā)生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。
通道A電壓發(fā)生器設(shè)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(hào)跡線顯示為CA-V，輸出信號(hào)跡線顯示為CB-V。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)（峰值和頻率的基波時(shí)間周期）。你的波形應(yīng)當(dāng)確認(rèn)其為單位增益或電壓跟隨器電路的說(shuō)明。
緩沖示例：
運(yùn)算放大器的高輸入電阻（零輸入電流）意味著發(fā)生器上的負(fù)載非常小；也就是說(shuō)，沒(méi)有從源電路汲取電流，因此任何內(nèi)部電阻（戴維寧等效值）上都沒(méi)有電壓降。所以，在這種配置中，運(yùn)算放大器的作用類似于緩沖器，屏蔽信號(hào)源免受系統(tǒng)其他部分帶來(lái)的負(fù)載效應(yīng)。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3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，我們可以用它來(lái)演示單位增益緩沖器的這個(gè)特性。這里，緩沖器插在分壓器電路和某一負(fù)載電阻（10 kΩ電阻）之間。
圖3.緩沖器示例
斷開(kāi)電源并將電阻添加到電路中，如圖3所示（注意這里沒(méi)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)以更好地安排導(dǎo)線）。
重新連接電源，并將波形發(fā)生器設(shè)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(shí)觀察VIN CA-V和VOUT CB-H，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄幅度。使用示波器輸入CB-H還能測(cè)量運(yùn)算放大器引腳3上的信號(hào)幅度。
圖形實(shí)例如圖4所示。
圖4.緩沖器曲線
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2.5 V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。你能預(yù)測(cè)新的輸出幅度嗎？
簡(jiǎn)單放大器配置
反相放大器：
圖5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5.反相放大器配置
現(xiàn)在使用R2 = 4.7kΩ組裝圖5所示的反相放大器電路。組裝新電路之前，請(qǐng)記住斷開(kāi)電源。根據(jù)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，試驗(yàn)板有很大的靈活性。例如，電阻R2的引線不一定要將運(yùn)算放大器從引腳2橋接到引腳6；你可以使用中間節(jié)點(diǎn)和跳線來(lái)繞過(guò)該器件。
重新連接電源并觀察電流消耗，確保沒(méi)有意外短路。現(xiàn)在將波形發(fā)生器調(diào)整為500 Hz正弦波，設(shè)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），并再次在示波器上顯示輸入和輸出。測(cè)量和記錄此電路的電壓增益，并與課堂上討論的原理進(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。
圖形實(shí)例如圖6所示。
圖6.反相放大器曲線
趁此機(jī)會(huì)說(shuō)一下電路調(diào)試。在課堂中的某個(gè)時(shí)候，你可能無(wú)法讓電路工作。這并不意外，沒(méi)有人是完美的。但是，你不應(yīng)簡(jiǎn)單地認(rèn)為電路不工作必定意味著器件或?qū)嶒?yàn)儀器有故障。這基本上不是事實(shí)，99%的電路問(wèn)題都是簡(jiǎn)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)出錯(cuò)，因此，學(xué)會(huì)如何調(diào)試電路問(wèn)題是學(xué)習(xí)過(guò)程中非常重要的一部分。為你診斷錯(cuò)誤不是助教的責(zé)任，如果你以這種方式依賴其他人，那么你就錯(cuò)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，你將不大可能在以后的課程中取得成功。除非你的運(yùn)算放大器冒煙，電阻上出現(xiàn)了棕色燒傷痕跡，或者電容發(fā)生爆炸，否則你的元器件很可能沒(méi)問(wèn)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)事情不妙時(shí)，最好的辦法就是斷開(kāi)電源并尋找一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋，而不要急著責(zé)怪器件或設(shè)備。在這方面，DMM可是一件十分有價(jià)值的調(diào)試工具。
輸出飽和：
現(xiàn)在將圖5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，仍然以2.5 V為中心，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)你的以上測(cè)量結(jié)果量化AD8541的內(nèi)部壓降。如果你有時(shí)間，可嘗試用OP97或OP27放大器替換AD8541，并比較它能產(chǎn)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(gè)帶有四個(gè)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(shū)中看到的略有不同，因?yàn)锳DALM1000只提供單個(gè)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(xiàn)的輸入電壓現(xiàn)在是相對(duì)于2.5 V（即所謂共模電平）進(jìn)行測(cè)量。它們應(yīng)減去2.5 V，因此0 VIN變?yōu)?2.5 V，+3.3 VIN變?yōu)?0.8 V。輸出電壓也應(yīng)相對(duì)于+2.5 V電平來(lái)測(cè)量。為使常規(guī)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(méi)有電流流動(dòng)（其兩端的電壓為0 V），因此反饋電阻中也沒(méi)有電流流過(guò)（其電壓為0 V）。輸出電壓將為2.5 V。
此電路使用四個(gè)數(shù)字輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為輸入電壓源。每個(gè)數(shù)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（并校正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(gè)都有自己獨(dú)特的增益或比例系數(shù)（由1 kΩ反饋電阻除以各自電阻所得的比值設(shè)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(qǐng)注意，PIO 3電阻由兩個(gè)4.7 kΩ電阻并聯(lián)而成。
圖7.求和放大器配置
斷開(kāi)電源后，修改反相放大器電路，如圖7所示。重新連接電源，然后使用數(shù)字輸出控件填寫(xiě)以下兩個(gè)表格。在第一個(gè)表格中，記錄每個(gè)數(shù)字輸出的低電壓和高電壓。在高阻模式下使用CB-H示波器輸入來(lái)完成此任務(wù)。在第二個(gè)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(yīng)確認(rèn)，當(dāng)所有四位懸空或處于高阻(X)狀態(tài)時(shí)，輸出電壓確實(shí)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(jì)算每個(gè)輸入組合的預(yù)期輸出電壓，并與測(cè)量值進(jìn)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，因此它可用于緩沖增益大于1的非理想信號(hào)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(qǐng)記得關(guān)閉電源。從R2 =1 kΩ開(kāi)始。
施加一個(gè)500 Hz正弦波，CA-V設(shè)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），并在示波器上顯示輸入和輸出波形。測(cè)量此電路的電壓增益，并與課堂上討論的原理進(jìn)行比較。導(dǎo)出波形圖并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。
圖形實(shí)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(xiàn)在的增益是多少？
增加反饋電阻，直到削波開(kāi)始——也就是說(shuō)，直到輸出信號(hào)的峰值因?yàn)檩敵鲲柡投_(kāi)始變平。記錄這種情況發(fā)生時(shí)的電阻。現(xiàn)在將反饋電阻增加到100 kΩ。在你的筆記本中描述并繪制波形。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)整為此值。描述所實(shí)現(xiàn)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)候，這可能導(dǎo)致意外飽和，原因是對(duì)某些低電平噪聲或干擾進(jìn)行了放大，例如對(duì)拾取自電力線的雜散60 Hz信號(hào)的放大。放大器會(huì)放大輸入端的任何信號(hào)......無(wú)論你是否需要！
運(yùn)算放大器用作比較器
將運(yùn)算放大器配置為比較器，便可利用運(yùn)算放大器的高固有增益和輸出飽和效應(yīng)，如圖10所示。這本質(zhì)上是一個(gè)二元狀態(tài)決策電路：如果“+”端子上的電壓大于“–”端子上的電壓，VIN > VREF，則輸出變?yōu)楦唠娖剑ㄔ谄渥畲笾禃r(shí)飽和）。相反，如果 VIN < VREF，則輸出變?yōu)榈碗娖健ｋ娐繁容^兩個(gè)輸入端的電壓，根據(jù)相對(duì)值產(chǎn)生輸出。與之前的所有電路不同，輸入和輸出之間沒(méi)有反饋；對(duì)于這種情況，我們說(shuō)電路是開(kāi)環(huán)運(yùn)行的。
圖10.運(yùn)算放大器用作比較器
比較器的使用方式不同，在以后的部分中我們會(huì)看到它的實(shí)際應(yīng)用。在這里，我們將以常見(jiàn)配置使用比較器，生成具有可變脈沖寬度的方波。首先斷開(kāi)電源并組裝電路。在反相輸入VREF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(fā)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）。重新連接電源后，導(dǎo)出輸入和輸出波形。
圖形實(shí)例如圖11所示。
圖11.運(yùn)放比較器曲線
現(xiàn)在通過(guò)增大（正移位）或減小（負(fù)移位）最小值和最大值來(lái)緩慢移動(dòng)三角波的中心，并觀察輸出發(fā)生的情況。你能予以解釋嗎？
對(duì)正弦波和鋸齒波輸入波形重復(fù)上述步驟，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄你的觀察結(jié)果。
問(wèn)題：
壓擺率：如何測(cè)量和計(jì)算單位增益緩沖器配置的壓擺率？將其與OP97數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的值進(jìn)行比較。
求和電路：使用疊加導(dǎo)出圖8電路的預(yù)期傳遞特性。根據(jù)VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出輸出電壓。將理想關(guān)系的預(yù)測(cè)與你的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
比較器：如果VREF的極性反轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生什么？
以上問(wèn)題可在學(xué)子專區(qū)博客上找到答案。
作者簡(jiǎn)介：Doug Mercer [doug.mercer@analog.com]于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)室電路®和QA流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于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(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。
推薦閱讀：
