介紹一種有源電路---運(yùn)算放大器
發(fā)布時(shí)間:2019-12-04 來源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 責(zé)任編輯:wenwei
【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)??赡苄枰{(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??;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?,F(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?,F(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?,F(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?,F(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。
您可以在 學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量儀
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦