【要闻】运算放大器基础知识：有源电路的直流偏置

本篇文章4337字，读完约11分钟

主题:运算放大器的基础知识:有源电路的直流偏压源: adi

在本实验中，介绍了使几个特征(高输入电阻、低输出电阻、大差动增益)成为接近理想的放大器的有源电路——运算放大器，同时是在很多电路应用中有用的构筑模块。 本实验理解有源电路的直流偏置，探索几种基本功能运算放大器电路。 我们将继续培养利用这个实验采用实验室硬件的技能。

材料

adalm2000主动学习模块

无焊接板和跳线套件。

一个1kω电阻

两个4.7kΩ电阻

两个10kΩ电阻

两个op97 (低压钟摆放大器附带新版本adalp2000模拟部件套件)

2个0.1μf电容器(径向引线)

1.1运算放大器的基础

步骤1 :连接直流电源

运算放大器必须总是使用直流电源供电。。 这建议先配置这些连接，然后再添加其他电路元件。 图1显示了未焊接的底板上的可能电源配置。 我们使用两根长导轨供给正负电源电压，另两根用于必要的接地连接。 具备连接在电源和接地轨道间电源去耦电容器。 现在详细研究这些电容的用途还为时过早，但第一是为了降低电源线上的噪声，避免寄生振荡。 在模拟电路设计中，在电路中各运算放大器的电源端子附近采用小型的旁路电容器是很好的方法。

将运算放大器插入面板，如图1所示追加导线和电容器。 为了今后不会发生问题，可能需要在面包板上贴上小标签，表示这些电源导轨支持+vp、-vn和接地。 应该用颜色区分导线，红色是vp，黑色是vn，绿色是地，这有助于实现规则的连接。

图1 .电源连接。 然后，在adalm2000板和仪表板上的端子之间建立电源和gnd连接。 使用跳线为电源导轨供电(参见附图)。 电源gnd端子作为电路接地基准。 电源连接完成后，可能需要用数字万用表( dmm )直接检测ic端子，确认端子7是5v，端子4是-5v。 在用电压表测量电压之前，请观察需要运行scopy软件并打开电源。

单位增益放大器(电压跟随器)

背景知识:

第一个运算放大器电路(如图2所示)很简单。 这被称为单位增益缓冲器，有时被称为电压跟随器，由转换函数vout=vin定义。 乍一看，该电路看起来像无用的器件，但如后所述，高输入电阻和低输出电阻是有用的。

图2 .单位增益跟随器。

硬件设置。

使用仪表板和adalm2000电源，构筑图3所示的电路。 这里请确认显示电源连接没有确定。 如前一步所述，实际电路连接电源。 这是因为现在没有必要在电路图上表示出来。 使用跳线将输入和输出连接到谐波发生器和示波器的导线上。 别忘了将示波器的负输入导线c1-和c2-接地(电路图中未显示接地连接)。

图3 .单位增益随动器面包板电路。

步骤

将第一波形发生器用作vin源，对电路赋予2v振幅、1khz正弦波激励。 配置示波器，使通道2显示输入信号，通道1显示输出信号。 导出生成的两个波形图，包含在实验报告中观察波形参数(峰值和基波的时间周期或频率)。 请确认波形是单位增益或电压跟随器电路的证明。

生成的波形如图4所示。

图4 .单位增益跟随器波形

转换速率限制值

在理想的运算放大器中，输出正确跟踪任何输入信号，但在实际放大器中，输出信号不会立即响应输入信号。 如果输入信号是快速变化的时间函数，则可以注意到这一不理想的特征。 该限制是对大振幅信号以转换速率进行量化，即运算放大器能够提供的输出电压的最大变化率(斜率)。 转换速率一般用v/μs表示。

将波形发生器设定为生成2v振幅的方波信号，增加频率直到大幅偏离理想行为。 也就是说，输出看起来像梯形而不是方波时。 可能需要调整示波器显示上的时间范围( sec/p )来注意。 导出此时的输出波形图，将其10%到90%的上升时间(以及90%到10%的下降时间)定义在图5中。 也请观察输出信号的峰值电压。 根据测量结果计算并记录上升和下降输出的偏航率。 为什么对上升沿和下降沿的注释的响应有可能不同？

图5 .转换速率。 图6示出偏航率的波形示例。

图6示出偏航率的波形示例。

缓冲区示例

运算放大器具有高输入电阻(零输入电流)意味着对发生器的负载非常小。 也就是说，没有从源极电路汲取电流。 因为这个内部戴维宁电阻没有压降。 因此，在这种配置中，运算放大器的作用类似于“缓冲器”，可以从系统其他部分的负载效应中切断信号源。 从负载电路的角度来看，缓冲器将不理想的电压源转换为接近理想的电压源。 图7示出了一个简单的电路，可以用它来表示单位增益缓冲器的该特征。 在图中，缓冲器设置在分压电路和某个负载电阻之间。

图7 .缓冲例子如图7所示，切断电源，向电路追加电阻(这里没有变更运算放大器的连接，只是相对于图2反转了运算放大器的符号)。

接通电源，将波形发生器设定为生成具有4v振幅的1khz正弦波信号。 注意使用示波器，vin和vout在实验报告中记录宽度。

去除10kω的负载，取而代之施加1kω的电阻。 记录宽度。

现在，移动引脚3和接地之间的1kω负载，与4.7kΩ电阻并联连接。 记录输出宽度如何变化。 你能预测新的输出宽度吗？

1.2放大器的简单配置

反相放大器

背景知识:

图8表示以往的反相放大器的结构，输出端有10kΩ的负载电阻。

图8 .反转放大器的配置。

硬件设置。

现在组装图9所示的反相放大器电路。 r2=4.7kΩ。 组装新电路之前，请切断电源。 根据需要切断电阻引线，使其与电路板表面平坦，弯曲，在各连接上使用最短的跳线(参照图1 )。 。 记住，采用面包板有很大的灵活性。 例如，电阻r2的引线不需要直接连接在运算放大器的端子2和端子6之间。 可以使用中间节点和跳线绕过设备。

图9 .接通逆变放大器的摇摄电路，注意电流消耗，确认没有意外短路。 现在调整波形发生器的话，输入端( vin )会产生2v宽度、1khz正弦波，再次在示波器上显示输入输出波形。 测量并记录该电路的电压增益，与研究的理论值进行比较。 导出输入输出波形图，包括在实验报告中。

借此机会谈谈电路调试。 练习中，可能无法使用电路。 这也出乎意料，没有人能做到完美。 但是，电路没有工作并不意味着器件和实验设备发生了故障。 往往不是，99%的电路问题是简单的布线和电源错误。 即使是经验丰富的工程师有时也会犯错误。 因此，学习电路调试方法和处理问题是学习过程中的重要部分。 你的诊断错误不是副教授的责任。 这样依赖别人的话，就会错过实验的重点之一，在今后的课程中不太成功。 除非运算放大器冒烟，电阻出现棕色烧伤痕迹，或者电容器爆炸，否则零件可能没有问题。 事实上，许多设备在严重损伤之前可以允许某种程度的滥用。 如果电路方案不顺利，建议关闭电源寻找原因，而不是因为设备或设备的问题。 在这方面，数字万用表( dmm )是一个非常有价值的调试工具。

步骤

将第一波形发生器用作vin源，对电路赋予2v振幅、1khz正弦波激励。 配置示波器，使通道2显示输入信号，通道1显示输出信号。

生成的波形如图10所示。

图10 .反转放大器的波形。

输出饱和

现在，将图8的反馈电阻r2从4.7kΩ变更为10kΩ。 现在的增益是多少？ 将输入信号的振幅逐渐增加到2v，并将波形导出到实验室的笔记本电脑。 所有运算放大器的输出电压最终都受到电源电压的限制，但在很多情况下，因为电路有内部电压降，所以实际的限制远远小于电源电压。 根据测量结果量化op97的内部电压降。

加法放大器电路

背景知识

图11所示的电路是被称为加法放大器的带追加输入的基本反相放大器。 采用叠加法的话，可以说明vout是vin1和vin2的线性和，各自有自己的增益或比例系数。

图11 .加法放大器的结构。

硬件设置。

关闭电源后，如图12所示，改写反转放大电路。 第二个波形发生器的输出用于vin2。 宽度设定为零，实验中可以从零提高。

图12 .加法放大器面包板电路。 n现在在vin1上施加2v宽度的正弦波，在vin2上施加1v的直流电压。 注意示波器接口上的输入输出波形进行记录。 仔细观察示波器界面处输出通道的接地信号电平。 在这样采用的情况下，这种电路可以称为电平移位器。

调整波形发生器w1的直流偏置( vin1)直到vout具有零直流分量。 注意示波器的输入波形来估计必要的直流偏置(观察:这不是–vin2)。 。

将波形发生器w1的偏移重置为零。 如果将示波器的通道2 (与运算放大器的输出连接的通道)设定为2v/p，则波形发生器w2的偏置电压vin2逐渐增加。 vout会怎么样？ 记录输出的直流电压。

r波形发生器w2的偏置电压恢复到约1v。 将示波器设定为1v/p，通过调整示波器，可以看到完美的vout波形。 将vin2恢复为上一步添加的值。 voutl的示波器曲线会怎么样？ 放大器看起来放大了吗？

步骤

u将第一个波形发生器用作vin源，向电路提供2v振幅、1khz正弦波激励。 第二个波形发生器用于产生1v的恒压。 配置示波器，使通道2显示输入信号，通道1显示输出信号。

生成的波形如图13所示。

图13 .加法放大器波形。

同相放大器

背景知识

该电路与单位增益缓冲器一样，可以用于缓冲不理想的信号源，因此(一般)具有高的输入电阻特性。

图14 .有增益的同相放大器。

硬件设置。

组装图15所示的同相放大电路。 组装新电路之前，请切断电源。 首先将r2设定为1kω。

图15 .同相放大器面包板电路。 在输入端施加2v宽度、1khz正弦波，在示波器上显示输入和输出。 测量该电路的电压增益，与先前研究的理论值进行比较。 导出波形图，包括在实验报告中。

使反馈电阻( r2 )从1kω增加到约5kω。 现在的增益是多少？

进一步增加反馈电阻，直到信号限幅，即输出信号的峰值因输出饱和而变平。 记录这种情况下的电阻值。 现在把反馈电阻增加到100kΩ。 显示笔记本电脑上绘制的波形。 这时的理论增益是多少？ 考虑到这个增益，为了输出电平总是低于5v，输入信号必须小到什么程度？ 尝试把波形发生器调整到这个值。 描述得到的输出。

最后一步强调高增益放大器的重要考虑因素。 对于小的输入电平，高增益必然意味着大的输出。 有时，低电平的噪声和噪声放大会产生意想不到的饱和。 例如，可能从电力线拾取并放大60hz (或50hz )的寄生信号。 放大器根据需要放大输入端的信号！

步骤

将第一波形发生器用作vin源，对电路赋予2v振幅、1khz正弦波激励。 配置示波器，使通道2显示输入信号，通道1显示输出信号。

生成的波形如图16所示。

图16 .同相放大器的波形

责任:俞雪峰