基本运算放大器配置是怎样的？

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基本运算放大器配置是怎样的？

必须为运算放大器始终提供直流电源，因此在添加任何其他电路元件之前，最好配置这些连接。图1显示了无焊试验板上的一种可能的电源配置。我们将两根长轨用于正电源电压和地，另一根用于可能需要的2.5 V中间电源连接。板上包括电源去耦电容，其连接在电源和地(GND)轨之间。现在详细讨论这些电容的用途还为时过早，只需知道它们用于降低电源线上的噪声并避免寄生振荡。在模拟电路设计中，务必在电路中每个运算放大器的电源引脚附近使用小型旁路电容，这被认为是良好实践。



图1.电源连接

将运算放大器插入试验板，然后添加导线和电容，如图1所示。为避免以后出现问题，可能需要在试验板上贴一个小标签，指示哪些电源轨对应5 V、2.5 V和地。导线应利用颜色加以区分：红色为5 V，黑色为2.5 V，绿色为GND。这有助于保持连接的有序性。

接下来，在ADALM1000板和试验板上的端子之间建立5 V电源和GND连接。使用跳线为电源轨供电。注意，电源GND端子将是电路接地基准。有了电源连接之后，可能需要使用DMM直接探测IC引脚，确保引脚7为5 V且引脚4为0 V(地)。

注意，使用电压表测量电压之前，必须将ADALM1000插入USB端口。

单位增益放大器(电压跟随器)：

第一个运算放大器电路很简单(如图2所示)。这称为单位增益缓冲器，有时也称为电压跟随器，它由转换函数VOUT = VIN定义。乍一看，它似乎是一个无用的器件，但正如我们稍后将展示的那样，其有用之处在于高输入电阻和低输出电阻。


图2.单位增益跟随器

使用试验板和ADALM1000电源，构建图2所示的电路。请注意，此处未明确显示电源连接。任何实际电路中都会进行这些连接(如上一步中所做的那样)，因此从这里开始，原理图中没必要显示它们。使用跳线将输入和输出连接到波形发生器输出CA-V和示波器输入CB-H。

通道A电压发生器设置为1.0 V最小值和4.0 V最大值(3 V p-p，以2.5 V为中心)，使用500 Hz正弦波。配置示波器，使输入信号迹线显示为CA-V，输出信号迹线显示为CB-V。导出所产生的两个波形图，并将其包含在实验报告中，注意波形参数(峰值和频率的基波时间周期)。你的波形应当确认其为单位增益或电压跟随器电路的说明。

缓冲示例：

运算放大器的高输入电阻(零输入电流)意味着发生器上的负载非常小;也就是说，没有从源电路汲取电流，因此任何内部电阻(戴维宁等效值)上都没有电压降。所以，在这种配置中，运算放大器的作用类似于缓冲器，屏蔽信号源免受系统其他部分带来的负载效应。从负载电路的角度看，缓冲器将非理想电压源转换成近乎理想的电压源。图3给出了一个简单的电路，我们可以用它来演示单位增益缓冲器的这个特性。这里，缓冲器插在分压器电路和某一负载电阻(10 kΩ电阻)之间。



图3.缓冲器示例

断开电源并将电阻添加到电路中，如图3所示(注意这里没有更改运算放大器连接，我们只是相对于图2翻转了运算放大器符号以更好地安排导线)。

重新连接电源，并将波形发生器设置为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为中心)。同时观察VIN CA-V和VOUT CB-H，并在实验报告中记录幅度。使用示波器输入CB-H还能测量运算放大器引脚3上的信号幅度。

图形实例如图4所示。



图4.缓冲器曲线

移除10 kΩ负载，代之以1 kΩ电阻。记录幅度。现在移动引脚3和2.5 V之间的1 kΩ负载，使其与4.7 kΩ电阻并联。记录输出幅度如何变化。你能预测新的输出幅度吗?

简单放大器配置

反相放大器：

图5所示为常规反相放大器配置，输出端有10 kΩ负载电阻。



图5.反相放大器配置

现在使用R2 = 4.7kΩ组装图5所示的反相放大器电路。组装新电路之前，请记住断开电源。根据需要切割和弯曲电阻引线，使其平放在电路板表面，并为每个连接使用最短的跳线(如图1所示)。记住，试验板有很大的灵活性。例如，电阻R2的引线不一定要将运算放大器从引脚2桥接到引脚6;你可以使用中间节点和跳线来绕过该器件。

重新连接电源并观察电流消耗，确保没有意外短路。现在将波形发生器调整为500 Hz正弦波，设置为2.1 V最小值和2.9 V最大值(0.8 V p-p，以2.5 V为中心)，并再次在示波器上显示输入和输出。测量和记录此电路的电压增益，并与课堂上讨论的原理进行比较。导出输入/输出波形图，并将其包含在实验报告中。

图形实例如图6所示。



图6.反相放大器曲线

趁此机会说一下电路调试。在课堂中的某个时候，你可能无法让电路工作。这并不意外，没有人是完美的。但是，你不应简单地认为电路不工作必定意味着器件或实验仪器有故障。这基本上不是事实，99%的电路问题都是简单的接线或电源错误。即便是经验丰富的工程师也会不时出错，因此，学会如何调试电路问题是学习过程中非常重要的一部分。为你诊断错误不是助教的责任，如果你以这种方式依赖其他人，那么你就错过了实验的一个关键点，你将不大可能在以后的课程中取得成功。除非你的运算放大器冒烟，电阻上出现了棕色烧伤痕迹，或者电容发生爆炸，否则你的元器件很可能没问题。事实上，大多数器件在发生重大损伤之前都能容忍一定程度的滥用。当事情不妙时，最好的办法就是断开电源并寻找一个简单的解释，而不要急着责怪器件或设备。在这方面，DMM可是一件十分有价值的调试工具。

输出饱和：

现在将图5中的反馈电阻R2从4.7 kΩ更改为10 kΩ。现在的增益是多少?将输入信号的幅度缓慢增加至2 V，仍然以2.5 V为中心，并将波形导出到实验室笔记本电脑中。任何运算放大器的输出电压最终都会受电源电压的限制，而在很多情况下，由于电路中存在内部电压降，实际限制要远小于电源电压。根据你的以上测量结果量化AD8541的内部压降。如果你有时间，可尝试用OP97或OP27放大器替换AD8541，并比较它能产生的最小和最大输出电压。