主題:基本運算放大器配置

作者:ADI 顧問Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus

目標:

在本實驗中,我們將介紹一種主動電路——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)使其成為近乎理想的放大器,並且是很多電路應用中的實用構建模組。在本實驗中,我們將協助您瞭解主動電路的直流偏置,並探索若干基本功能運算放大器電路。我們還將利用此實驗繼續發展使用實驗室硬體的技能。

材料:

  • ADALM1000硬體模組
  • 無焊試驗板和跳線套件
  • 一個1 kΩ電阻
  • 三個4.7 kΩ電阻
  • 兩個10 kΩ電阻
  • 一個20 kΩ電阻
  • 兩個AD8541元件(CMOS軌對軌放大器)
  • 兩個0.1 μΩ電容(徑向引線)

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顯示了無焊試驗板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長軌用於正電源電壓和地,另一根用於可能需要的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時過早,只需知道它們用於降低電源線上的雜訊並避免寄生振盪。在類比電路設計中,務必在電路中每個運算放大器的電源針腳附近使用小型旁路電容,這被認為是良好的實踐。

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。為避免以後出現問題,可能需要在試驗板上貼一個小標籤,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5 V,黑色為2.5 V,綠色為GND。這有助於保持連接的有序性。

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針腳,確保針腳7為5 V且針腳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埠。

單位增益放大器(電壓跟隨器):

第一個運算放大器電路很簡單(如圖2所示)。這稱為單位增益緩衝器,有時也稱為電壓跟隨器,它由轉換函數VOUT = VIN定義。乍一看,它似乎是一個無用的元件,但正如我們稍後將展示的,其有用之處在於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進行這些連接(如上一步中所做的那樣),因此從這裡開始,原理圖中沒必要顯示它們。使用跳線將輸入和輸出連接到波形產生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。

通道A電壓產生器設定為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,使輸入訊號跡線顯示為CA-V,輸出訊號跡線顯示為CB-V。匯出所產生的兩個波形圖,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週期)。你的波形應當確認其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。

緩衝示例:

運算放大器的高輸入電阻(零輸入電流)意味著產生器上的負載非常小;也就是說,沒有從源電路汲取電流,因此任何內部電阻(大衛寧等效值)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緩衝器,遮罩訊號源免受系統其他部分帶來的負載效應。從負載電路的角度看,緩衝器將非理想電壓源轉換成近乎理想的電壓源。圖3給出了一個簡單的電路,我們可以用它來展示單位增益緩衝器的這個特性。在這裡,緩衝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(注意這裡沒有更改運算放大器連接,我們只是相對於圖2翻轉了運算放大器符號以更適切地安排導線)。

重新連接電源,並將波形產生器設置為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針腳3上的訊號幅度。 圖形實例如圖4所示。

圖4.緩衝器曲線

圖4.緩衝器曲線

移除10 kΩ負載,代之以1 kΩ電阻。記錄幅度。現在移動針腳3和2.5 V之間的1 kΩ負載,使其與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面,並為每個連接使用最短的跳線(如圖1所示)。請記住,試驗板具有很大的靈活性。例如,電阻R2的引線不一定要將運算放大器從針腳2橋接到針腳6;你可以使用中間節點和跳線來繞過該元件。

重新連接電源並觀察電流消耗,確保沒有意外短路。現在將波形產生器調整為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),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,並與課堂上討論的原理進行比較。匯出輸入/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

趁此機會說明一下電路調試。在課堂中的某個時候,你可能無法讓電路工作。這並不意外,沒有人是完美的。但是,你不應簡單地認為電路不工作必定意味著元件或實驗儀器有故障。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。即便是經驗豐富的工程師也會不時出錯,因此,學會如何調試電路問題是學習過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其他人,那麼你就錯過了實驗的一個關鍵點,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痕跡,或者電容發生爆炸,否則你的元元件很可能沒問題。事實上,大多數元件在發生重大損傷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簡單的解釋,而不要急著責怪元件或設備。在這方面,DMM可是一件十分有價值的調試工具。

輸出飽和:

現在將圖5中的回饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ。現在的增益是多少?將輸入訊號的幅度緩慢增加至2 V,仍然以2.5 V為中心,並將波形匯出到實驗室筆記型電腦中。任何運算放大器的輸出電壓最終都會受電源電壓的限制,而在很多情況下,由於電路中存在內部電壓降,實際限制要遠小於電源電壓。根據你的以上測量結果量化AD8541的內部壓降。如果你有時間,可嘗試用OP97或OP27放大器替換AD8541,並比較它能產生的最小和最大輸出電壓。

求和放大器電路:

圖7所示電路是一個帶有四個輸入的基本反相放大器,稱為求和放大器。圖7的配置與你在教科書中看到的略有不同,因為ADALM1000只提供單個正電源電壓。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2.5 V(即所謂共模電平)進行測量。它們應減去2.5 V,因此0 VIN變為-2.5 V,+3.3 VIN變為+0.8 V。輸出電壓也應相對於+2.5 V電平來測量。為使常規方程式正確,輸出電壓也將減去2.5 V共模位準。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有電流流動(其兩端的電壓為0 V),因此回饋電阻中也沒有電流流過(其電壓為0 V)。輸出電壓將為2.5 V。

此電路使用四個數位輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為輸入電壓源。每個數位輸出具有接近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),我們可以由此證明VOUT是VPIO0、VPIO1、VPIO2和VPIO3的線性和,其中每個都有自己獨特的增益或比例係數(由1 kΩ回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,PIO 3電阻由兩個4.7 kΩ電阻並聯而成。

圖7.求和放大器配置

斷開電源後,修改反相放大器電路,如圖7所示。重新連接電源,然後使用數位輸出控制項填寫以下兩個表格。在第一個表格中,記錄每個數位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於高阻(X)狀態時,輸出電壓確實為2.5 V。

表1.低電壓和高電壓
數字針腳 低電壓 高電壓
PIO 0    
PIO 1    
PIO 2    
PIO 3    
表2.輸出電壓
數字位元 輸出電壓
P3, P2, P1, P0  
0000  
0001  
0010  
0011  
0100  

使用電阻值計算每個輸入組合的預期輸出電壓,並與測量值進行比較。

同相放大器:

同相放大器配置如圖8所示。與單位增益緩衝器一樣,此電路具有(通常)較好的高輸入電阻特性,因此它可用於緩衝增益大於1的非理想訊號源。

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,請記得關閉電源。從R2 =1 kΩ開始。

施加一個500 Hz正弦波,CA-V設定為2.0 V最小值和3.0 V最大值(1 V p-p,以2.5 V為中心),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,並與課堂上討論的原理進行比較。匯出波形圖並將其包含在實驗報告中。

圖形實例如圖9所示。

圖9.同相放大器曲線

將回饋電阻(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)。現在的增益是多少?

增加回饋電阻,直到削波開始——也就是說,直到輸出訊號的峰值因為輸出飽和而開始變平。請記錄這種情況發生時的電阻。現在將回饋電阻增加到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,輸入訊號必須小到什麼程度才能使輸出電平始終低於5 V?嘗試將波形產生器調整為此值。描述所實現的輸出。

最後一步則是強調高增益放大器的重要考慮因素。對於小輸入位準而言,高增益必然意味著大輸出。有時候,這可能導致意外飽和,原因是對某些低位準雜訊或干擾進行了放大,例如對拾取自電力線的雜散60 Hz訊號的放大。放大器會放大輸入端的任何訊號......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。這本質上是一個二元狀態決策電路:如果"+"端子上的電壓大於"–"端子上的電壓,VIN > VREF,則輸出變為高位準(在其最大值時飽和)。相反的,如果 VIN < VREF,則輸出變為低位準。電路比較兩個輸入端的電壓,根據相對值產生輸出。與之前的所有電路不同,輸入和輸出之間沒有回饋;對於這種情況,我們說電路是開環運行的。

圖10.運算放大器用作比較器

比較器的使用方式不同,在以後的部分中我們會看到它的實際應用。在這裡,我們將以常見配置使用比較器,生成具有可變脈衝寬度的方波。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輸出作為直流電源。

同樣,在同相輸入端配置波形產生器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)。重新連接電源後,匯出輸入和輸出波形。

圖形實例如圖11所示。

圖11.運放比較器曲線

現在透過增大(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。請問,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:

  • 壓擺率:如何測量和計算單位增益緩衝器配置的壓擺率?將其與OP97資料手冊中列出的值進行比較。
  • 求和電路:使用疊加匯出圖8電路的預期傳遞特性。根據VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出輸出電壓。將理想關係的預測與你的資料進行比較。
  • 比較器:如果VREF的極性反轉會發生什麼?

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