目標：

在本實(shí)驗中，我們將介紹一種有源電路——運算放大器(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，并且是很多電路應用中的有用構建模塊。在本實(shí)驗中，你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(shí)驗繼續發(fā)展使用實(shí)驗室硬件的技能。

材料：

• ADALM1000硬件模塊
• 無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)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(xiàn)）

1.1 運算放大器基礎知識

第一步：連接直流電源

必須為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(wú)焊試驗板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長(cháng)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�，F在詳細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(xiàn)上的噪聲并避免寄生振蕩。在模擬電路設計中，務(wù)必在電路中每個(gè)運算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容，這被認為是良好實(shí)踐。

圖1.電源連接

將運算放大器插入試驗板，然后添加導線(xiàn)和電容，如圖1所示。為避免以后出現問(wèn)題，可能需要在試驗板上貼一個(gè)小標簽，指示哪些電源軌對應5 V、2.5 V和地。導線(xiàn)應利用顏色加以區分：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板和試驗板上的端子之間建立5 V電源和GND連接。使用跳線(xiàn)為電源軌供電。注意，電源GND端子將是電路接地基準。有了電源連接之后，可能需要使用DMM直接探測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(gè)運算放大器電路很簡(jiǎn)單（如圖2所示）。這稱(chēng)為單位增益緩沖器，有時(shí)也稱(chēng)為電壓跟隨器，它由轉換函數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(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(xiàn)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，使輸入信號跡線(xiàn)顯示為CA-V，輸出信號跡線(xiàn)顯示為CB-V。導出所產(chǎn)生的兩個(gè)波形圖，并將其包含在實(shí)驗報告中，注意波形參數（峰值和頻率的基波時(shí)間周期）。你的波形應當確認其為單位增益或電壓跟隨器電路的說(shuō)明。

緩沖示例：

運算放大器的高輸入電阻（零輸入電流）意味著(zhù)發(fā)生器上的負載非常��；也就是說(shuō)，沒(méi)有從源電路汲取電流，因此任何內部電阻（戴維寧等效值）上都沒(méi)有電壓降。所以，在這種配置中，運算放大器的作用類(lèi)似于緩沖器，屏蔽信號源免受系統其他部分帶來(lái)的負載效應。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以更好地安排導線(xiàn)）。

重新連接電源，并將波形發(fā)生器設置為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(guān)察VIN CA-V和VOUT CB-H，并在實(shí)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(shí)例如圖4所示。

圖4.緩沖器曲線(xiàn)

移除10 kΩ負載，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度�，F在移動(dòng)引腳3和2.5 V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。你能預測新的輸出幅度嗎？

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(kāi)電源。根據需要切割和彎曲電阻引線(xiàn)，使其平放在電路板表面，并為每個(gè)連接使用最短的跳線(xiàn)（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(xiàn)不一定要將運算放大器從引腳2橋接到引腳6；你可以使用中間節點(diǎn)和跳線(xiàn)來(lái)繞過(guò)該器件。

重新連接電源并觀(guān)察電流消耗，確保沒(méi)有意外短路�，F在將波形發(fā)生器調整為500 Hz正弦波，設置為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。導出輸入/輸出波形圖，并將其包含在實(shí)驗報告中。

圖形實(shí)例如圖6所示。

圖6.反相放大器曲線(xiàn)

趁此機會(huì )說(shuō)一下電路調試。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，你不應簡(jiǎn)單地認為電路不工作必定意味著(zhù)器件或實(shí)驗儀器有故障。這基本上不是事實(shí)，99%的電路問(wèn)題都是簡(jiǎn)單的接線(xiàn)或電源錯誤。即便是經(jīng)驗豐富的工程師也會(huì )不時(shí)出錯，因此，學(xué)會(huì )如何調試電路問(wèn)題是學(xué)習過(guò)程中非常重要的一部分。為你診斷錯誤不是助教的責任，如果你以這種方式依賴(lài)其他人，那么你就錯過(guò)了實(shí)驗的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，你將不大可能在以后的課程中取得成功。除非你的運算放大器冒煙，電阻上出現了棕色燒傷痕跡，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，大多數器件在發(fā)生重大損傷之前都能容忍一定程度的濫用。當事情不妙時(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?zhuān)�而不要急�?zhù)責怪器件或設備。在這方面，DMM可是一件十分有價(jià)值的調試工具。

輸出飽和：

現在將圖5中的反饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ�，F在的增益是多少？將輸入信號的幅度緩慢增加至2 V，仍然以2.5 V為中心，并將波形導出到實(shí)驗室筆記本電腦中。任何運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，由于電路中存在內部電壓降，實(shí)際限制要遠小于電源電壓。根據你的以上測量結果量化AD8541的內部壓降。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(chēng)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，因為ADALM1000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。輸入電阻上出現的輸入電壓現在是相對于2.5 V（即所謂共模電平）進(jìn)行測量。它們應減去2.5 V，因此0 VIN變?yōu)?2.5 V，+3.3 VIN變?yōu)?0.8 V。輸出電壓也應相對于+2.5 V電平來(lái)測量。為使常規方程式正確，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)數字輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為輸入電壓源。每個(gè)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（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(xiàn)性和，其中每個(gè)都有自己獨特的增益或比例系數（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�。ㄗ畹陀行�位），PIO 3值最低，輸出變化最大（最高有效位）。請注意，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。你還應確認，當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

使用電阻值計算每個(gè)輸入組合的預期輸出電壓，并與測量值進(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。導出波形圖并將其包含在實(shí)驗報告中。

圖形實(shí)例如圖9所示。

圖9.同相放大器曲線(xiàn)

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）�，F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)，直到輸出信號的峰值因為輸出飽和而開(kāi)始變平。記錄這種情況發(fā)生時(shí)的電阻�，F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)生器調整為此值。描述所實(shí)現的輸出。

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(zhù)大輸出。有時(shí)候，這可能導致意外飽和，原因是對某些低電平噪聲或干擾進(jìn)行了放大，例如對拾取自電力線(xiàn)的雜散60 Hz信號的放大。放大器會(huì )放大輸入端的任何信號......無(wú)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，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�。電路比較兩個(gè)輸入端的電壓，根據相對值產(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；對于這種情況，我們說(shuō)電路是開(kāi)環(huán)運行的。

圖10.運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，導出輸入和輸出波形。

圖形實(shí)例如圖11所示。

圖11.運放比較器曲線(xiàn)

現在通過(guò)增大（正移位）或減�。ㄘ撘莆唬┳钚≈岛妥畲笾祦�(lái)緩慢移動(dòng)三角波的中心，并觀(guān)察輸出發(fā)生的情況。你能予以解釋嗎？

對正弦波和鋸齒波輸入波形重復上述步驟，并在實(shí)驗報告中記錄你的觀(guān)察結果。

問(wèn)題：

• 壓擺率：如何測量和計算單位增益緩沖器配置的壓擺率？將其與OP97數據手冊中列出的值進(jìn)行比較。
• 求和電路：使用疊加導出圖8電路的預期傳遞特性。根據VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出輸出電壓。將理想關(guān)系的預測與你的數據進(jìn)行比較。
• 比較器：如果VREF的極性反轉會(huì )發(fā)生什么？