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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
表2.输出电压
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。
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。
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。
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。
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。
