基本運算放大器配置
本文來源：ECCN中電網
1.1 運算放大器基礎知識
第一步：連接直流電源
必須為(wei) 運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顯示了無焊試驗板上的一種可能的電源配置。我們(men) 將兩(liang) 根長軌用於(yu) 正電源電壓和地，另一根用於(yu) 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。現在詳細討論這些電容的用途還為(wei) 時過早，隻需知道它們(men) 用於(yu) 降低電源線上的噪聲並避免寄生振蕩。在模擬電路設計中，務必在電路中每個(ge) 運算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容，這被認為(wei) 是良好實踐。
圖1.電源連接
將運算放大器插入試驗板，然後添加導線和電容，如圖1所示。為(wei) 避免以後出現問題，可能需要在試驗板上貼一個(ge) 小標簽，指示哪些電源軌對應5 V、2.5 V和地。導線應利用顏色加以區分：紅色為(wei) 5 V，黑色為(wei) 2.5 V，綠色為(wei) GND。這有助於(yu) 保持連接的有序性。
接下來，在ADALM1000板和試驗板上的端子之間建立5 V電源和GND連接。使用跳線為(wei) 電源軌供電。注意，電源GND端子將是電路接地基準。有了電源連接之後，可能需要使用DMM直接探測IC引腳，確保引腳7為(wei) 5 V且引腳4為(wei) 0 V（地）。
注意，使用電壓表測量電壓之前，必須將ADALM1000插入USB端口。
單位增益放大器（電壓跟隨器）：
第一個(ge) 運算放大器電路很簡單（如圖2所示）。這稱為(wei) 單位增益緩衝(chong) 器，有時也稱為(wei) 電壓跟隨器，它由轉換函數VOUT = VIN定義(yi) 。乍一看，它似乎是一個(ge) 無用的器件，但正如我們(men) 稍後將展示的那樣，其有用之處在於(yu) 高輸入電阻和低輸出電阻。
圖2.單位增益跟隨器
使用試驗板和ADALM1000電源，構建圖2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(hui) 進行這些連接（如上一步中所做的那樣），因此從(cong) 這裏開始，原理圖中沒必要顯示它們(men) 。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。
通道A電壓發生器設置為(wei) 1.0 V最小值和4.0 V最大值（3 V p-p，以2.5 V為(wei) 中心），使用500 Hz正弦波。配置示波器，使輸入信號跡線顯示為(wei) CA-V，輸出信號跡線顯示為(wei) CB-V。導出所產(chan) 生的兩(liang) 個(ge) 波形圖，並將其包含在實驗報告中，注意波形參數（峰值和頻率的基波時間周期）。你的波形應當確認其為(wei) 單位增益或電壓跟隨器電路的說明。
緩衝(chong) 示例：
運算放大器的高輸入電阻（零輸入電流）意味著發生器上的負載非常小；也就是說，沒有從(cong) 源電路汲取電流，因此任何內(nei) 部電阻（戴維寧等效值）上都沒有電壓降。所以，在這種配置中，運算放大器的作用類似於(yu) 緩衝(chong) 器，屏蔽信號源免受係統其他部分帶來的負載效應。從(cong) 負載電路的角度看，緩衝(chong) 器將非理想電壓源轉換成近乎理想的電壓源。圖3給出了一個(ge) 簡單的電路，我們(men) 可以用它來演示單位增益緩衝(chong) 器的這個(ge) 特性。這裏，緩衝(chong) 器插在分壓器電路和某一負載電阻（10 kΩ電阻）之間。
圖3.緩衝(chong) 器示例
斷開電源並將電阻添加到電路中，如圖3所示（注意這裏沒有更改運算放大器連接，我們(men) 隻是相對於(yu) 圖2翻轉了運算放大器符號以更好地安排導線）。
重新連接電源，並將波形發生器設置為(wei) 500Hz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(wei) 中心）。同時觀察VIN CA-V和VOUT CB-H，並在實驗報告中記錄幅度。使用示波器輸入CB-H還能測量運算放大器引腳3上的信號幅度。
圖形實例如圖4所示。
圖4.緩衝(chong) 器曲線
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2.5 V之間的1 kΩ負載，使其與(yu) 4.7 kΩ電阻並聯。記錄輸出幅度如何變化。你能預測新的輸出幅度嗎？
簡單放大器配置
反相放大器：
圖5所示為(wei) 常規反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負載電阻。
圖5.反相放大器配置
現在使用R2 = 4.7kΩ組裝圖5所示的反相放大器電路。組裝新電路之前，請記住斷開電源。根據需要切割和彎曲電阻引線，使其平放在電路板表麵，並為(wei) 每個(ge) 連接使用最短的跳線（如圖1所示）。記住，試驗板有很大的靈活性。例如，電阻R2的引線不一定要將運算放大器從(cong) 引腳2橋接到引腳6；你可以使用中間節點和跳線來繞過該器件。
重新連接電源並觀察電流消耗，確保沒有意外短路。現在將波形發生器調整為(wei) 500 Hz正弦波，設置為(wei) 2.1 V最小值和2.9 V最大值（0.8 V p-p，以2.5 V為(wei) 中心），並再次在示波器上顯示輸入和輸出。測量和記錄此電路的電壓增益，並與(yu) 課堂上討論的原理進行比較。導出輸入/輸出波形圖，並將其包含在實驗報告中。
圖形實例如圖6所示。
圖6.反相放大器曲線
趁此機會(hui) 說一下電路調試。在課堂中的某個(ge) 時候，你可能無法讓電路工作。這並不意外，沒有人是完美的。但是，你不應簡單地認為(wei) 電路不工作必定意味著器件或實驗儀(yi) 器有故障。這基本上不是事實，99%的電路問題都是簡單的接線或電源錯誤。即便是經驗豐(feng) 富的工程師也會(hui) 不時出錯，因此，學會(hui) 如何調試電路問題是學習(xi) 過程中非常重要的一部分。為(wei) 你診斷錯誤不是助教的責任，如果你以這種方式依賴其他人，那麽(me) 你就錯過了實驗的一個(ge) 關(guan) 鍵點，你將不大可能在以後的課程中取得成功。除非你的運算放大器冒煙，電阻上出現了棕色燒傷(shang) 痕跡，或者電容發生爆炸，否則你的元器件很可能沒問題。事實上，大多數器件在發生重大損傷(shang) 之前都能容忍一定程度的濫用。當事情不妙時，最好的辦法就是斷開電源並尋找一個(ge) 簡單的解釋，而不要急著責怪器件或設備。在這方麵，DMM可是一件十分有價(jia) 值的調試工具。
輸出飽和：
現在將圖5中的反饋電阻R2從(cong) 4.7 kΩ更改為(wei) 10 kΩ。現在的增益是多少？將輸入信號的幅度緩慢增加至2V，仍然以2.5 V為(wei) 中心，並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(hui) 受電源電壓的限製，而在很多情況下，由於(yu) 電路中存在內(nei) 部電壓降，實際限製要遠小於(yu) 電源電壓。根據你的以上測量結果量化AD8541的內(nei) 部壓降。如果你有時間，可嚐試用OP97或OP27放大器替換AD8541，並比較它能產(chan) 生的最小和最大輸出電壓。
求和放大器電路：
所示電路是一個(ge) 帶有四個(ge) 輸入的基本反相放大器，稱為(wei) 求和放大器。圖7的配置與(yu) 你在教科書(shu) 中看到的略有不同，因為(wei) ADALM1000隻提供單個(ge) 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。輸入電阻上出現的輸入電壓現在是相對於(yu) 2.5 V（即所謂共模電平）進行測量。它們(men) 應減去2.5 V，因此0 VIN變為(wei) -2.5 V，+3.3 VIN變為(wei) +0.8 V。輸出電壓也應相對於(yu) +2.5 V電平來測量。為(wei) 使常規方程式正確，輸出電壓也將減去2.5V共模電平。另一種思路是考慮所有輸入均為(wei) 2.5 V（或懸空）的情況。任何輸入電阻中都沒有電流流動（其兩(liang) 端的電壓為(wei) 0 V），因此反饋電阻中也沒有電流流過（其電壓為(wei) 0 V）。輸出電壓將為(wei) 2.5 V。
此電路使用四個(ge) 數字輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為(wei) 輸入電壓源。每個(ge) 數字輸出具有接近0 V的低輸出電壓或接近3.3 V的高輸出電壓。使用疊加（並校正2.5 V共模電平），我們(men) 可以證明VOUT是VPIO0、VPIO1、VPIO2和VPIO3的線性和，其中每個(ge) 都有自己獨特的增益或比例係數（由1 kΩ反饋電阻除以各自電阻所得的比值設定）。
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）。請注意，PIO3電阻由兩(liang) 個(ge) 4.7 kΩ電阻並聯而成。
斷開電源後，修改反相放大器電路。重新連接電源，然後使用數字輸出控件填寫(xie) 以下兩(liang) 個(ge) 表格。在第一個(ge) 表格中，記錄每個(ge) 數字輸出的低電壓和高電壓。在高阻模式下使用CB-H示波器輸入來完成此任務。在第二個(ge) 表格中，記錄PIO0、PIO 1、PIO 2、PIO 3的所有16種1和0組合的輸出電壓。你還應確認，當所有四位懸空或處於(yu) 高阻(X)狀態時，輸出電壓確實為(wei) 2.5 V。
PIO 0
PIO 1
PIO 2
PIO 3
表2.輸出電壓
數字位輸出電壓
P3、P2、P1、P0
0
1
10
11
100
使用電阻值計算每個(ge) 輸入組合的預期輸出電壓，並與(yu) 測量值進行比較。
同相放大器：
與(yu) 單位增益緩衝(chong) 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(yu) 緩衝(chong) 增益大於(yu) 1的非理想信號源。
所示的同相放大器電路。組裝新電路之前，請記得關(guan) 閉電源。從(cong) R2 =1 kΩ開始。
施加一個(ge) 500 Hz正弦波，CA-V設置為(wei) 2.0 V最小值和3.0 V最大值（1 V p-p，以2.5 V為(wei) 中心），並在示波器上顯示輸入和輸出波形。測量此電路的電壓增益，並與(yu) 課堂上討論的原理進行比較。導出波形圖並將其包含在實驗報告中。
將反饋電阻(R2)從(cong) 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）。現在的增益是多少？
增加反饋電阻，直到削波開始——也就是說，直到輸出信號的峰值因為(wei) 輸出飽和而開始變平。記錄這種情況發生時的電阻。現在將反饋電阻增加到100 kΩ。在你的筆記本中描述並繪製波形。此時的理論增益是多少？考慮此增益，輸入信號必須小到什麽(me) 程度才能使輸出電平始終低於(yu) 5 V？嚐試將波形發生器調整為(wei) 此值。描述所實現的輸出。
最後一步強調高增益放大器的重要考慮因素。對於(yu) 小輸入電平，高增益必然意味著大輸出。有時候，這可能導致意外飽和，原因是對某些低電平噪聲或幹擾進行了放大，例如對拾取自電力線的雜散60 Hz信號的放大。放大器會(hui) 放大輸入端的任何信號......無論你是否需要！
運算放大器用作比較器
將運算放大器配置為(wei) 比較器，便可利用運算放大器的高固有增益和輸出飽和效應。這本質上是一個(ge) 二元狀態決(jue) 策電路：如果“+”端子上的電壓大於(yu) “–”端子上的電壓，VIN > VREF，則輸出變為(wei) 高電平（在其最大值時飽和）。相反，如果 VIN < VREF，則輸出變為(wei) 低電平。電路比較兩(liang) 個(ge) 輸入端的電壓，根據相對值產(chan) 生輸出。與(yu) 之前的所有電路不同，輸入和輸出之間沒有反饋；對於(yu) 這種情況，我們(men) 說電路是開環運行的。
比較器的使用方式不同，在以後的部分中我們(men) 會(hui) 看到它的實際應用。在這裏，我們(men) 將以常見配置使用比較器，生成具有可變脈衝(chong) 寬度的方波。首先斷開電源並組裝電路。在反相輸入VREF上使用固定的2.5 V輸出作為(wei) 直流電源。
同樣，在同相輸入端配置波形發生器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(wei) 中心）。重新連接電源後，導出輸入和輸出波形。
現在通過增大（正移位）或減小（負移位）最小值和最大值來緩慢移動三角波的中心，並觀察輸出發生的情況。你能予以解釋嗎？
對正弦波和鋸齒波輸入波形重複上述步驟，並在實驗報告中記錄你的觀察結果。
問題：
u 壓擺率：如何測量和計算單位增益緩衝(chong) 器配置的壓擺率？將其與(yu) OP97數據手冊(ce) 中列出的值進行比較。
u 求和電路：使用疊加導出電路的預期傳(chuan) 遞特性。根據VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出輸出電壓。將理
想關(guan) 係的預測與(yu) 你的數據進行比較。
u 比較器：如果VREF的極性反轉會(hui) 發生什麽(me) ？
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