【導讀】在本實驗中，我們介紹一種有源電路——運算放大器，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，并且是很多電路應用中的有用構建模塊。在本實驗中，您將了解有源電路的直流偏置，并探索若干基本功能運算放大器電路。我們還將利用此實驗繼續(xù)培養(yǎng)使用實驗室硬件的技能。
材料
● ADALM2000主動學習模塊
● 無焊面包板和跳線套件
● 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)在詳細討論這些電容的用途還為時過早，主要是用于降低電源線上的噪聲并避免寄生振蕩。在模擬電路設計中，在電路中每個運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。
將運算放大器插入面包板，然后添加導線和電容，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小標簽，指示哪些電源軌對應+Vp、-Vn和地。應利用顏色區(qū)分導線，紅色為Vp，黑色為Vn，綠色為地，這有助于實現(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。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軟件并已打開電源。
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。這稱為單位增益緩沖器，有時也稱為電壓跟隨器，它由轉換函數(shù) 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。
硬件設置
使用面包板和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(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。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(chǎn)生的兩個波形圖，并將其包含在實驗報告中，注意波形參數(shù)（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(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
對于理想的運算放大器，輸出將會精確跟隨任何輸入信號，但在實際放大器中，輸出信號永遠不會立即響應輸入信號。當輸入信號是一個快速變化的時間函數(shù)時，可以觀察到這種非理想特性。對于大幅度信號，此限制通過壓擺率進行量化，即運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)生器設置為生成2 V幅度的方波信號，增加頻率直到看到明顯偏離理想行為，即當輸出開始看起來更像梯形而不是方波時。可能需要調整示波器顯示上的時間量程(sec/div)來觀察這種情況。此時導出輸出波形圖并測量其10%至90%的上升時間（和90%至10%的下降時間），如圖5中所定義。另請注意輸出信號的峰峰值電壓。根據(jù)測量結果計算并記錄上升和下降輸出的壓擺率。評論為什么對上升沿和下降沿的響應可能會不同。
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。
緩沖示例
運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于“緩沖器”，可屏蔽信號源，使其免受系統(tǒng)其他部分負載效應的影響。從負載電路的角度看，緩沖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沖器的這個特性。在圖中，緩沖器設置在分壓器電路和某一負載電阻之間。
圖7. 緩沖器示例
關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算放大器連接，我們只是相對于圖2翻轉了運算放大器符號）。
打開電源并將波形發(fā)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(xiàn)在移動引腳3和地之間的1 kΩ負載，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(guī)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(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，請記得關閉電源。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算放大器引腳2和引腳6之間；可以使用中間節(jié)點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。測量和記錄此電路的電壓增益，并與討論過的理論值進行比較。導出輸入/輸出波形圖并將其包含在實驗報告中。
借此機會說一下電路調試。在練習中，可能會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，不應認為電路不工作必定意味著器件或實驗儀器有故障。事實往往并非如此，99%的電路問題都是簡單的接線或電源錯誤。即便是經(jīng)驗豐富的工程師也會不時犯錯，因此，學會如何調試電路并解決問題是學習過程中非常重要的一部分。為您診斷錯誤不是助教的責任，如果您以這種方式依賴其他人，那么您就錯過了實驗的一個關鍵點，您將很難在以后的課程中取得成功。除非運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。當電路方案行不通時，建議關閉電源并尋找原因，而不是歸咎于器件或設備問題。在這方面，數(shù)字萬用表（DMM）是一件十分有價值的調試工具。
步驟
將第一個波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。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(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？將輸入信號的幅度緩慢增加至2 V，并將波形導出到實驗室筆記本電腦中。任何運算放大器的輸出電壓最終都會受電源電壓的限制，而在很多情況下，由于電路中存在內部電壓降，實際限制要遠小于電源電壓。根據(jù)測量結果量化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系數(shù)。
圖11. 求和放大器配置。
硬件設置
關閉電源后，修改反相放大器電路，如圖12所示。將第二個波形發(fā)生器輸出用于 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(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（連接到運算放大器輸出的通道）設置為2 V/div時，緩慢增加波形發(fā)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(fā)生器W2的偏置電壓恢復為大約1 V。將示波器設置為1 V/div并調整示波器，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么樣子？放大器看起來是在放大嗎？
步驟
U將第一個波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激勵。第二個波形發(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，通道1上顯示輸出信號。
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
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。測量此電路的電壓增益，并與之前討論的理論值進行比較。導出波形圖并將其包含在實驗報告中。
將反饋電阻(R2)從1 kΩ增加到約5 kΩ。現(xiàn)在的增益是多少？
進一步增加反饋電阻，直到信號出現(xiàn)削波，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(fā)生時的電阻值。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。此時的理論增益是多少？考慮此增益，輸入信號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)生器調整到此值。描述所得到的輸出。
最后一步強調高增益放大器的重要考慮因素。對于小輸入電平，高增益必然意味著大輸出。有時，由于某些低電平噪聲或干擾放大，可能會導致意外飽和，例如有時可能拾取電力線中的60 Hz（或者50 Hz）雜散信號，并將其放大。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(fā)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(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(qū)博客上找到問題答案。
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