運(yùn)算放大器(0P)

1、-實(shí)驗(yàn)27運(yùn)算放大器(0P)-實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.由實(shí)驗(yàn)中去了解OP之增益可由外部線路形成的負(fù)回授來(lái)決定。2.OP作為一個(gè)非反相放大器。3.OP作為一個(gè)反相加法器。實(shí)驗(yàn)器材雙電源、電源供應(yīng)器、示波器、波形產(chǎn)生器、數(shù)位電錶。電阻：10K×3(1/2W)，5K×1，3.33K× l，2.5K×1，20K×1，30K×1。IC：741C。其它：四個(gè)SPST開(kāi)關(guān)，2個(gè)1.5V電池。基本原理IC運(yùn)算放大器 OP放大器為一高增益、直接耦合的線性差動(dòng)放大器，其特性可由輸出連接一線路到輸入所形成的負(fù)回授來(lái)決定。OP的用途很多，在數(shù)學(xué)運(yùn)算上可作為加減法器、積分

2、器、微分器:在通訊上可作為聲頻放大器。 圖27-1顯示OP放大器的符號(hào)，可看到其很類(lèi)似實(shí)習(xí)25的差動(dòng)放大器，它們都有二個(gè)輸入，一個(gè)為(+)，一個(gè)為()，負(fù)號(hào)代表反相輸入端。如果訊號(hào)加於反相端，輸出將與輸入相位差上180° 。正端輸入為非反相端輸入，如訊號(hào)加在非反相輸入端，則輸出與輸入之相位是相同的。在所有的OP應(yīng)用電路中，我們皆用圖27-1的符號(hào)，這是由於OP內(nèi)部線路甚為複雜之原因。負(fù)回授 圖27-2顯示一個(gè)基本負(fù)回授電路，可看到輸出端回饋訊號(hào)到反相端，如此方能提供負(fù)回授。輸入訊號(hào)加在反相端輸入，如此一來(lái)，輸出之相位將與輸入訊號(hào)相反。當(dāng)然，OP也能使輸出和輸入為同相位，只要加在非反相

3、端，如圖27-3 。注意圖27-3的線路，負(fù)回授之關(guān)係仍存在著。 OP增益的分析不在本書(shū)的討論範(fàn)圍之內(nèi)，學(xué)者可自行參考相關(guān)書(shū)籍。因此，本書(shū)不分析公式，但會(huì)將各種OP線路之公式寫(xiě)出，作為實(shí)驗(yàn)之依據(jù)。 如圖27-2中，OP放大器的輸出可由式(27-1)決定 (27-1)其中，負(fù)號(hào)代表輸出與輸入訊號(hào)反相。此放大器之增益可為增益= (27-2)對(duì)於圖27-3中之非反相放大器圖27-1運(yùn)算放大器OP之符號(hào) 圖27-2 OP放大器之負(fù)回授電路圖27-3 OP放大器亦可作為非反相放大器 (27-3)而其增益為增益= (27-4)式(27-1)至(27-4)顯示，輸出電壓與回授電阻RF、RR之比值有關(guān)，因此O

4、P之增益也就與RF及RR有關(guān)了。 圖27-4為一非反相之電壓隨耦器，此線路亦稱(chēng)為單增益放大器。因?yàn)榇朔糯笃髦鲆鏋?。OP當(dāng)然不可能是完全理想的，難免會(huì)有誤差存在，其中一種誤差為偏壓電流不平衡所致。此種誤差可在非反相端加上一個(gè)電阻R，R=RF/RR(圖27-5)，如此將使反相端與非反相端的輸入阻抗相等，便可消除偏壓電流不平衡所形成的誤差。圖27-4 OP放大器作為電壓隨耦器圖27-5電阻R連接到非反相端輸入來(lái)補(bǔ)償輸入偏壓誤差。如此一來(lái) 反相與非反相端的阻抗即為平衡了OP放大器作為加法器 如圖27-6的線路中，OP放大器是作為加法器，如果RF=R1=R2，輸出電壓為 (27-5) 也就是說(shuō)，輸出

5、為輸入電壓和之反相，如果二輸入電壓為反相的話，則圖27-6的線路，即為輸入電壓相減再反相。例如，V1=+3V，V2=2.5V則 圖27-6的線路輸出，可依吾人之設(shè)計(jì)不同而對(duì)兩輸入作加權(quán)。加權(quán)方式為利用RF、R1、R2之電阻值。例如:RF=2R1=3R2，則圖27-6 OP放大器作為加法器 (27-6)圖27-6的加法器亦可稍做修正，使輸入可以有3個(gè)或更多。OP放大器之規(guī)格OP放大器之製造廠商通當(dāng)提供基本電路方塊圖、線路圖、OP之規(guī)格及特性曲線表。在本實(shí)驗(yàn)中用到的OP741C，它的線路圖在27-7(a)，圖27-7(b)為接腳圖。741分為兩種等級(jí)，一種為軍規(guī)(M)，另一種為商規(guī)(C)。這二種等

6、級(jí)的包裝是不同的。本實(shí)驗(yàn)所用的741IC為商規(guī)，編號(hào)為741HC。圖27-7(a)線路圖 圖27-7(b)741C接腳圖(Fairchild公司) 741HC製造商列出的規(guī)格如下： 供應(yīng)電源 ±18V 內(nèi)部電力消耗 500mW 差動(dòng)輸入電壓 ±30V 工作溫度 0° 70°。 輸入偏壓電流 800nA 輸入阻抗 0.32M 共摸互斥比(RS10K) 正常為90dB 輸出阻抗 75 輸出短路電流 25mA 供應(yīng)電流 正常為2.8mA 功率消耗 正常為85mW 大訊號(hào)增益，RL2K Vout=±10V 15，000 輸出電壓擺幅，RL2K 

7、7;13V，typical 至於一些有關(guān)741C之特性曲線表在圖27-8。摘要1.運(yùn)算放大器為一高增益直接耦合的差動(dòng)放大器，其增益可由外部負(fù) 回授線路控制。2.OP有二輸入，一為反相端輸入，另一為非反相端輸入，如圖27-l。3.圖27-2中之反相放大器，它的回授電路是由輸出端連接到反相輸入端。輸入訊號(hào)亦同時(shí)加在反相輸入端。4.圖27-2的反相放大器，它的輸出電壓公式為。其中負(fù)號(hào)代表輸出與輸入相位差180°。輸入之共模電壓範(fàn)圍與電源電壓之關(guān)係輸出電壓擺幅與電源之關(guān)係開(kāi)路增益與電源電壓之關(guān)係輸入電阻與溫度之關(guān)係輸入偏壓電流與溫度之關(guān)係輸入偏壓電流與溫度之關(guān)係頻率特性與溫度之關(guān)係輸出短路電

8、流與溫度之關(guān)係功率消耗與溫度之關(guān)係圖27-8特性曲線(Faichild)5.反相放大器之增益為。6.圖27-3中的非反相放大器，輸入訊號(hào)加至非反相端，但是回授電路仍與反相放大器一樣，由輸出連接至反相端。7.圖27-3的非反相放大器輸出電壓公式為而且，此放大器的增益為。8.反相放大器的增益可以是大於l，亦可小於或等於1。9.非反相放大器的增益，只能大於或等於1。10.OP放大器可以連接成加法器的型式(如圖27-6)。11.因偏壓電流不平衡所引起的誤差，可藉由在非反相端加一電阻R， RRF/RR來(lái)解決。12.OP放大器的線路圖、方塊圖及特性規(guī)格表，皆由製造廠商提供。自我評(píng)量1.OP的增益可藉由_改

9、變之。2.圖27-2的線路中RF5K，RR1.25K，則此線路的增益為 _。3.繼續(xù)前面的問(wèn)題，如果一個(gè)0.5V的直流電壓加在反相器的輸入端，則輸出為 _ V。4.圖27-3的線路中RF10K，RR10K，輸入電壓為VPP=1 V之交流電壓，則輸出電壓之VPP=_ V 。5.圖27-3中，一個(gè)相位為正的訊號(hào)加於輸入端，則輸出之相位為_(kāi)。(“正”或“負(fù)”) 6.圖27-4的線路，若1.5V的直流電壓加在輸入上，則輸出為_(kāi)V 。7.圖27-6，RF=Rl=R2=10K 。如果V1=V2=1.5V，則輸出電壓為_(kāi) V 。8.圖27-6中，RF=10K，Rl=5K，R2=2.5K，如果V1 =1.5V

10、，V2=1.5V，輸出電壓為_(kāi) V。實(shí)驗(yàn)程序OP之增益1.如圖27-9，RF=RR=10K，S1及S2為OFF，設(shè)定兩電源供應(yīng)器各為9V，同時(shí)波形產(chǎn)生器輸出1KHz電壓為0之弦波，示波器為外部觸發(fā)同步模式，同步來(lái)源為波形產(chǎn)生器。2.S1及S2 ON 。3.逐漸增加波形產(chǎn)生器之弦波電壓，一直到放大器之輸出波形為最大不失真，量取輸出電壓之VPP值，填入表27-l 。此為回授電阻存在時(shí)之最大輸出電壓。圖27-9反相放大器表27-l反相OP放大器之增益4.以示波器觀察Vin，並量取Vin值，記錄在表27-1 。5.計(jì)算並記錄放大器之增益(Vout/Vin)。6.比較輸出與輸入之相位，看是同相位或是相差

11、180°。7.將波形產(chǎn)生器的電壓降到零。8.對(duì)不同的RR值，重覆步驟37，將表27-1填滿。非反相放大器9. S1及S2 OFF 。10.連接圖27-10線路，電源均為9V，接法同圖27-9，波形產(chǎn)生器亦為1KHz，0 V之弦波。圖27-10非反相放大器表27-2非反相OP放大器11.將S1及S2 ON，如同表27-1的步驟，將表27-2填滿。OP放大器作為反相加法器12.將S1及S2 OFF 。線路接成圖27-11之型式，但電源部份仍同圖 27-9 。圖27-11中令RF=Rl=R2=10K，Vl及V2為1.5V電池。13.S1，S2 ON，但S1，S3 OFF 。量取V1及Vou

12、t，記錄在表27-3中。14.S3為OFF，但S4改為ON，重覆步驟13 。15.S2，S3，S4均為ON，量取Vin，Vout，記錄在表27-3 。16.S3，S4為ON，但令Vl之相位相反，量取Vout及Vin並記錄之。17.仍使用2個(gè)1.5V電池，但自行設(shè)計(jì)V1，V2之極性及各個(gè)電阻之值，使Vout= 4.5V，將計(jì)算結(jié)果記錄下來(lái)。另外準(zhǔn)備一張表格，量取並記錄Vout。圖27-11加法器線路表27-3 OP放大器作為加法器18.同上，但Vout=1.5V 。19.由實(shí)驗(yàn)中去觀察求證，在輸出不失真的情形下，求反相放大器之最大輸出電壓及增益。問(wèn)題1.OP放大器的最大不失真弦波電壓與放大器之增益有關(guān)否？請(qǐng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回答之。2.前述幾種OP電路，輸出與輸入電壓之相位關(guān)係