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学子专区:根本运算放大器装备

学子专区:基本运算放大器配置-我们将介绍一种有源电路——运算放大器(op amp),其某些特性(高输入电阻、低输出电阻和大差分增益)使它成为近乎理想的放大器,并且是很多电路应用中的有用构建模块。

作者:Doug Mercer和Antoniu Miclaus   ADI公司

方针:

在本试验中,咱们将介绍一种有源电路——运算扩大器(op amp),其某些特性(高输入电阻、低输出电阻和大差分增益)使它成为近乎抱负的扩大器,并且是许多电路运用中的有用构建模块。在本试验中,你将了解有源电路的直流偏置,并探究若干根本功能运算扩大器电路。咱们还将运用此试验持续发展运用试验室硬件的技术。

资料:

  • ADALM1000硬件模块
  • 无焊试验板和跳线套件
  • 一个1 kΩ电阻
  • 三个4.7 kΩ电阻
  • 两个10 kΩ电阻
  • 一个20 kΩ电阻
  • 两个AD8541 器材(CMOS轨到轨扩大器)
  • 两个0.1 μΩ电容(径向引线)

1.1 运算扩大器基础知识

第一步:衔接直流电源

有必要为运算扩大器一直供给直流电源,因而在添加任何其他电路元件之前,最好装备这些衔接。图1显现了无焊试验板上的一种或许的电源装备。咱们将两根长轨用于正电源电压和地,另一根用于或许需求的2.5 V中心电源衔接。板上包含电源去耦电容,其衔接在电源和地(GND)轨之间。现在具体评论这些电容的用处还为时过早,只需知道它们用于下降电源线上的噪声并避免寄生振荡。在模仿电路规划中,有必要在电路中每个运算扩大器的电源引脚邻近运用小型旁路电容,这被以为是杰出实践。

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图1.电源衔接

将运算扩大器刺进试验板,然后添加导线和电容,如图1所示。为避免今后呈现问题,或许需求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。导线应运用色彩加以区别:赤色为5 V,黑色为2.5 V,绿色为GND。这有助于坚持衔接的有序性。

接下来,在ADALM1000板和试验板上的端子之间树立5 V电源和GND衔接。运用跳线为电源轨供电。留意,电源GND端子将是电路接地基准。有了电源衔接之后,或许需求运用DMM直接勘探IC引脚,保证引脚7为5 V且引脚4为0 V(地)。

留意,运用电压表丈量电压之前,有必要将ADALM1000刺进USB端口。

单位增益扩大器(电压跟从器):

第一个运算扩大器电路很简略(如图2所示)。这称为单位增益缓冲器,有时也称为电压跟从器,它由转化函数VOUT = VIN界说。乍一看,它似乎是一个无用的器材,但正如咱们稍后将展现的那样,其有用之处在于高输入电阻和低输出电阻。

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图2.单位增益跟从器

运用试验板和ADALM1000电源,构建图2所示的电路。请留意,此处未清晰显现电源衔接。任何实践电路中都会进行这些衔接(如上一步中所做的那样),因而从这儿开端,原理图中没必要显现它们。运用跳线将输入和输出衔接到波形产生器输出CA-V和示波器输入CB-H。

通道A电压产生器设置为1.0 V最小值和4.0 V最大值(3 V p-p,以2.5 V为中心),运用500 Hz正弦波。装备示波器,使输入信号迹线显现为CA-V,输出信号迹线显现为CB-V。导出所产生的两个波形图,并将其包含在试验报告中,留意波形参数(峰值和频率的基波时刻周期)。你的波形应当承认其为单位增益或电压跟从器电路的阐明。

缓冲示例:

运算扩大器的高输入电阻(零输入电流)意味着产生器上的负载非常小;也便是说,没有从源电路罗致电流,因而任何内部电阻(戴维宁等效值)上都没有电压降。所以,在这种装备中,运算扩大器的效果类似于缓冲器,屏蔽信号源免受体系其他部分带来的负载效应。从负载电路的视点看,缓冲器将非抱负电压源转化成近乎抱负的电压源。图3给出了一个简略的电路,咱们能够用它来演示单位增益缓冲器的这个特性。这儿,缓冲器插在分压器电路和某一负载电阻(10 kΩ电阻)之间。

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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(留意这儿没有更改运算扩大器衔接,咱们仅仅相关于图2翻转了运算扩大器符号以更好地组织导线)。

从头衔接电源,并将波形产生器设置为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)。一起调查VIN CA-V和VOUT CB-H,并在试验报告中记载起伏。运用示波器输入CB-H还能丈量运算扩大器引脚3上的信号起伏。

图形实例如图4所示。

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图4.缓冲器曲线

移除10 kΩ负载,代之以1 kΩ电阻。记载起伏。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。记载输出起伏怎么改变。你能猜测新的输出起伏吗?

简略扩大器装备

反相扩大器:

图5所示为惯例反相扩大器装备,输出端有10 kΩ负载电阻。

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图5.反相扩大器装备

现在运用R2 = 4.7kΩ拼装图5所示的反相扩大器电路。拼装新电路之前,请记住断开电源。依据需求切开和曲折电阻引线,使其平放在电路板外表,并为每个衔接运用最短的跳线(如图1所示)。记住,试验板有很大的灵活性。例如,电阻R2的引线不必定要将运算扩大器从引脚2桥接到引脚6;你能够运用中心节点和跳线来绕过该器材。

从头衔接电源并调查电流耗费,保证没有意外短路。现在将波形产生器调整为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现输入和输出。丈量和记载此电路的电压增益,并与讲堂上评论的原理进行比较。导出输入/输出波形图,并将其包含在试验报告中。

图形实例如图6所示。

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图6.反相扩大器曲线

趁此机会说一下电路调试。在讲堂中的某个时分,你或许无法让电路作业。这并不意外,没有人是完美的。但是,你不该简略地以为电路不作业必定意味着器材或试验仪器有毛病。这根本上不是现实,99%的电路问题都是简略的接线或电源过错。即便是经验丰富的工程师也会不时犯错,因而,学会怎么调试电路问题是学习过程中非常重要的一部分。为你确诊过错不是助教的职责,假如你以这种方法依靠其他人,那么你就错过了试验的一个要害点,你将不大或许在今后的课程中取得成功。除非你的运算扩大器冒烟,电阻上呈现了棕色烧伤痕迹,或许电容产生爆炸,不然你的元器材很或许没问题。现实上,大多数器材在产生严重损害之前都能忍受必定程度的乱用。当作业不妙时,最好的方法便是断开电源并寻觅一个简略的解说,而不要急着责怪器材或设备。在这方面,DMM但是一件非常有价值的调试东西。

输出饱满:

现在将图5中的反应电阻R2从4.7 kΩ更改为10 kΩ。现在的增益是多少?将输入信号的起伏缓慢添加至2 V,依然以2.5 V为中心,并将波形导出到试验室笔记本电脑中。任何运算扩大器的输出电压终究都会受电源电压的约束,而在许多状况下,由于电路中存在内部电压降,实践约束要远小于电源电压。依据你的以上丈量成果量化AD8541的内部压降。假如你有时刻,可测验用OP97或OP27扩大器替换AD8541,并比较它能产生的最小和最大输出电压。

求和扩大器电路:

图7所示电路是一个带有四个输入的根本反相扩大器,称为求和扩大器。图7的装备与你在教科书中看到的略有不同,由于ADALM1000只供给单个正电源电压。扩大器的同相(+)输入衔接到2.5 V,即电源电压的一半,而不是接地。这就改变了求和扩大器方程式。输入电阻上呈现的输入电压现在是相关于2.5 V(即所谓共模电平)进行丈量。它们应减去2.5 V,因而0 VIN变为-2.5 V,+3.3 VIN变为+0.8 V。输出电压也应相关于+2.5 V电平来丈量。为使惯例方程式正确,输出电压也将减去2.5 V共模电平。另一种思路是考虑一切输入均为2.5 V(或悬空)的状况。任何输入电阻中都没有电流活动(其两头的电压为0 V),因而反应电阻中也没有电流流过(其电压为0 V)。输出电压将为2.5 V。

此电路运用四个数字输出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作为输入电压源。每个数字输出具有挨近0 V的低输出电压或挨近3.3 V的高输出电压。运用叠加(并校对2.5 V共模电平),咱们能够证明VOUT是VPIO0、VPIO1、VPIO2和VPIO3的线性和,其间每个都有自己共同的增益或份额系数(由1 kΩ反应电阻除以各自电阻所得的比值设定)。

PIO 0值最高,输出改变最小(最低有用位),PIO 3值最低,输出改变最大(最高有用位)。请留意,PIO 3电阻由两个4.7 kΩ电阻并联而成。

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图7.求和扩大器装备

断开电源后,修正反相扩大器电路,如图7所示。从头衔接电源,然后运用数字输出控件填写以下两个表格。在第一个表格中,记载每个数字输出的低电压和高电压。在高阻形式下运用CB-H示波器输入来完结此使命。在第二个表格中,记载PIO 0、PIO 1、PIO 2、PIO 3的一切16种1和0组合的输出电压。你还应承认,当一切四位悬空或处于高阻(X)状况时,输出电压确实为2.5 V。

表1.低电压和高电压

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表2.输出电压

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运用电阻值核算每个输入组合的预期输出电压,并与丈量值进行比较。

同相扩大器:

同相扩大器装备如图8所示。与单位增益缓冲器相同,此电路具有(一般)较好的高输入电阻特性,因而它可用于缓冲增益大于1的非抱负信号源。

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图8.具有增益的同相扩大器

拼装图8所示的同相扩大器电路。拼装新电路之前,请记住封闭电源。从R2 =1 kΩ开端。

施加一个500 Hz正弦波,CA-V设置为2.0 V最小值和3.0 V最大值(1 V p-p,以2.5 V为中心),并在示波器上显现输入和输出波形。丈量此电路的电压增益,并与讲堂上评论的原理进行比较。导出波形图并将其包含在试验报告中。

图形实例如图9所示。

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图9.同相扩大器曲线

将反应电阻(R2)从1 kΩ添加到约4.7 kΩ。记住,你或许需求下降输入的起伏以避免输出饱满(削波)。现在的增益是多少?

添加反应电阻,直到削波开端——也便是说,直到输出信号的峰值由于输出饱满而开端变平。记载这种状况产生时的电阻。现在将反应电阻添加到100 kΩ。在你的笔记本中描绘并制作波形。此刻的理论增益是多少?考虑此增益,输入信号有必要小到什么程度才能使输出电平一直低于5 V?测验将波形产生器调整为此值。描绘所完成的输出。

最终一步着重高增益扩大器的重要考虑要素。关于小输入电平,高增益必定意味着大输出。有时分,这或许导致意外饱满,原因是对某些低电平噪声或搅扰进行了扩大,例如对拾取自电力线的杂散60 Hz信号的扩大。扩大器会扩大输入端的任何信号。..。..不管你是否需求!

运算扩大器用作比较器

将运算扩大器装备为比较器,便可运用运算扩大器的高固有增益和输出饱满效应,如图10所示。这本质上是一个二元状况决议方案电路:假如“+”端子上的电压大于“–”端子上的电压,VIN 》 VREF,则输出变为高电平(在其最大值时饱满)。相反,假如 VIN 《 VREF,则输出变为低电平。电路比较两个输入端的电压,依据相对值产生输出。与之前的一切电路不同,输入和输出之间没有反应;关于这种状况,咱们说电路是开环运转的。

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图10.运算扩大器用作比较器

比较器的运用方法不同,在今后的部分中咱们会看到它的实践运用。在这儿,咱们将以常见装备运用比较器,生成具有可变脉冲宽度的方波。首要断开电源并拼装电路。在反相输入VREF上运用固定的2.5 V输出作为直流电源。

相同,在同相输入端装备波形产生器CA-V:500 Hz频率、2 V最小值和3 V最大值的三角波(以2.5 V为中心)。从头衔接电源后,导出输入和输出波形。

图形实例如图11所示。

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图11.运放比较器曲线

现在经过增大(正移位)或减小(负移位)最小值和最大值来缓慢移动三角波的中心,并调查输出产生的状况。你能予以解说吗?

对正弦波和锯齿波输入波形重复上述过程,并在试验报告中记载你的调查成果。

问题:

  • 压摆率:怎么丈量和核算单位增益缓冲器装备的压摆率?将其与OP97数据手册中列出的值进行比较。
  • 求和电路:运用叠加导出图8电路的预期传递特性。依据VIN0、VIN1、VIN2和VIN3求出输出电压。将抱负联系的猜测与你的数据进行比较。
  • 比较器:假如VREF的极性回转会产生什么?

以上问题可在学子专区博客上找到答案。

作者简介:Doug Mercer [doug.mercer@analog.com]于1977年结业于伦斯勒理工学院(RPI),获电子工程学士学位。自1977年参加ADI公司以来,他直接或直接贡献了30多款数据转化器产品,并具有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年,他从全职作业转型,并持续以声誉研究员身份担任ADI参谋,为“自动学习方案”撰稿。2016年,他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]现为ADI公司的体系运用工程师,从事ADI教育项目作业,一起为试验室电路®和QA流程办理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚Cluj-Napoca加盟ADI公司。他现在是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,具有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

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