运算放大器基础知识：有源电路的直流偏置

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在本实验中，我们介绍一种有源电路——运算放大器，其某些特性（高输入电阻、低输出电阻和大差分增益）使其成为接近理想的放大器，并且是很多电路应用中的有用构建模块。在本实验中，您将了解有源电路的直流偏置，并探索若干基本功能运算放大器电路。我们还将利用此实验继续培养使用实验室硬件的技能。
材料
ADALM2000主动学习模块
无焊面包板和跳线套件
一个1 kΩ电阻
两个4.7 kΩ电阻
两个10 kΩ电阻
两个OP97（低压摆率放大器随附新版本ADALP2000模拟部件套件）
两个0.1 μF电容（径向引线）
1.1 运算放大器基础知识
第一步：连接直流电源
     运算放大器必须始终采用直流电源供电，因此建议先配置这些连接，然后添加其他电路元件。图1显示了无焊面包板上一种可能的电源配置。我们将两根长轨用于提供正负电源电压，另两根用于可能需要的接地连接。板上包括电源去耦电容，其连接在电源和接地轨之间。现在详细讨论这些电容的用途还为时过早，主要是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，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是一种良好的做法。

    将运算放大器插入面包板，然后添加导线和电容，如图1所示。为避免以后出现问题，可能需要在面包板上贴一个小标签，指示哪些电源轨对应+Vp、-Vn和地。应利用颜色区分导线，红色为Vp，黑色为Vn，绿色为地，这有助于实现有序连接。

图1. 电源连接。接下来，在ADALM2000板和面包板上的端子之间建立电源和GND连接。使用跳线为电源轨供电，如图所示。注意，电源GND端子将是电路接地基准。完成电源连接之后，可能需要使用数字万用表（DMM）直接探测IC引脚，确保引脚7为5 V，引脚4为-5 V。注意，使用电压表测量电压之前，必须运行Scopy软件并已打开电源。
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，该电路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。
硬件设置
使用面包板和ADALM2000电源，构建图3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电源的连接（如上一步中所做的那样），因此从现在开始没必要都在原理图中显示出来。使用跳线将输入和输出连接到波形发生器和示波器引线。别忘了将示波器负输入引线C1-和C2-接地（原理图中未显示接地连接）。

步骤

将第一个波形发生器用作VIN源，向电路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激励。配置示波器，使通道2上显示输入信号，通道1上显示输出信号。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（峰值和基波时间周期或频率）。您的波形应当确认其为单位增益或电压跟随器电路的说明。

压摆率限值
对于理想的运算放大器，输出将会精确跟随任何输入信号，但在实际放大器中，输出信号永远不会立即响应输入信号。当输入信号是一个快速变化的时间函数时，可以观察到这种非理想特性。对于大幅度信号，此限制通过压摆率进行量化，即运算放大器能够提供的输出电压的最大变化率（斜率）。压摆率通常以V/μs表示。
将波形发生器设置为生成2 V幅度的方波信号，增加频率直到看到明显偏离理想行为，即当输出开始看起来更像梯形而不是方波时。可能需要调整示波器显示上的时间量程(sec/div)来观察这种情况。此时导出输出波形图并测量其10%至90%的上升时间（和90%至10%的下降时间），如图5中所定义。另请注意输出信号的峰峰值电压。根据测量结果计算并记录上升和下降输出的压摆率。评论为什么对上升沿和下降沿的响应可能会不同。
缓冲示例
运算放大器具有高输入电阻（零输入电流）意味着发生器上的负载非常小；即没有从源电路汲取电流，因此任何内部戴维宁电阻上都没有压降。所以，在这种配置中，运算放大器的作用类似于“缓冲器”，可屏蔽信号源，使其免受系统其他部分负载效应的影响。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7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。在图中，缓冲器设置在分压器电路和某一负载电阻之间。
缓冲器示例关闭电源并将电阻添加到电路中，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）。
打开电源并将波形发生器设置为生成具有4 V幅度的1 kHz正弦信号。使用示波器同时观察 VIN 和 VOUT在实验报告中记录幅度。
移除10 kΩ负载，代之以1 kΩ电阻。记录幅度。
现在移动引脚3和地之间的1 kΩ负载，使其与4.7 kΩ电阻并联。记录输出幅度如何变化。您能预测新的输出幅度吗？
1.2 放大器的简单配置
反相放大器
背景知识：
硬件设置
现在组装图9所示的反相放大器电路，其中R2 = 4.7 kΩ。组装新电路之前，请记得关闭电源。根据具体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，使用面包板有很大的灵活性。例如，电阻R2的引线不一定要直接连接在将运算放大器引脚2和引脚6之间；可以使用中间节点和跳线来绕过该器件。
反相放大器面包板电路打开电源并观察电流消耗，确保没有意外短路。现在调整波形发生器，在输入端 (VIN)产生2 V幅度、1 kHz正弦波，并再次在示波器上显示输入和输出波形。测量和记录此电路的电压增益，并与讨论过的理论值进行比较。导出输入/输出波形图并将其包含在实验报告中。
借此机会说一下电路调试。在练习中，可能会遇到电路无法工作的情况。这也在意料之中，没有人能做到十全十美。但是，不应认为电路不工作必定意味着器件或实验仪器有故障。事实往往并非如此，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犯错，因此，学会如何调试电路并解决问题是学习过程中非常重要的一部分。为您诊断错误不是助教的责任，如果您以这种方式依赖其他人，那么您就错过了实验的一个关键点，您将很难在以后的课程中取得成功。除非运算放大器冒烟或电阻上出现了棕色烧伤痕迹或者电容发生爆炸，否则您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。当电路方案行不通时，建议关闭电源并寻找原因，而不是归咎于器件或设备问题。在这方面，数字万用表（DMM）是一件十分有价值的调试工具。
步骤
将第一个波形发生器用作 VIN 源，向电路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激励。配置示波器，使通道2上显示输入信号，通道1上显示输出信号。
产生的波形所示。
反相放大器波形。
输出饱和
现在将图8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，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。根据测量结果量化OP97的内部压降。
求和放大器电路
背景知识
所示电路是一个带有额外输入的基本反相放大器，称为求和放大器。使用叠加法，我们可以证明 VOUT 是 VIN1 和 VIN2的线性和，其中每个都有自己独特的增益或比例系数。
求和放大器配置。
硬件设置
关闭电源后，修改反相放大器电路，所示。将第二个波形发生器输出用于 VIN2。将幅度设置为零，这样就可以在实验中从零调高。. 求和放大器面包板电路。N现在为 VIN1 施加2 V幅度正弦波，并为 VIN2施加1 V直流电压。观察并记录示波器界面上的输入/输出波形。密切注意示波器界面上输出通道的接地信号电平。以这种方式使用时，这样的电路可以称为电平转换器。
调整波形发生器W1的直流偏置 (VIN1)，直到 VOUT 具有零直流分量。通过观察示波器上的输入波形来估算所需的直流偏置（注意：它不是–VIN2)。
将波形发生器W1的偏置重置为零。将示波器的通道2（连接到运算放大器输出的通道）设置为2 V/div时，缓慢增加波形发生器W2的偏置电压 VIN2。 VOUT会怎样？记录输出的直流电压。
R将波形发生器W2的偏置电压恢复为大约1 V。将示波器设置为1 V/div并调整示波器，这样就可以看到完整的 VOUT 波形。将 VIN2 调回到上一步中增加到的值。 VOUT l的示波器曲线会是什么样子？放大器看起来是在放大吗？
步骤
U将第一个波形发生器用作 VIN 源，向电路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激励。第二个波形发生器用于产生1 V 恒定电压。配置示波器，使通道2上显示输入信号，通道1上显示输出信号。
同相放大器
背景知识
同相放大器配置所示。与单位增益缓冲器一样，此电路具有（通常）较好的高输入电阻特性，因此它可用于缓冲非理想信号源：
硬件设置
组装示的同相放大器电路。组装新电路之前，请记得关闭电源。首先将R2 设置为1 kΩ。
同相放大器面包板电路。在输入端施加2 V幅度、1 kHz正弦波，并在示波器上显示输入和输出。测量此电路的电压增益，并与之前讨论的理论值进行比较。导出波形图并将其包含在实验报告中。
将反馈电阻(R2)从1 kΩ增加到约5 kΩ。现在的增益是多少？
进一步增加反馈电阻，直到信号出现削波，也就是说，直到输出信号的峰值因为输出饱和而开始变平。记录这种情况发生时的电阻值。现在将反馈电阻增加到100 kΩ。在您的笔记本电脑中查看绘制的波形。此时的理论增益是多少？考虑此增益，输入信号必须小到什么程度才能使输出电平始终低于5 V？尝试将波形发生器调整到此值。描述所得到的输出。
最后一步强调高增益放大器的重要考虑因素。对于小输入电平，高增益必然意味着大输出。有时，由于某些低电平噪声或干扰放大，可能会导致意外饱和，例如有时可能拾取电力线中的60 Hz（或者50 Hz）杂散信号，并将其放大。放大器会放大输入端的任何信号，无论您是否需要！
步骤
将第一个波形发生器用作 VIN源，向电路提供2 V幅度、1 kHz正弦波激励。配置示波器，使通道2上显示输入信号，通道1上显示输出信号。