在本實驗中，我們介紹一種有源電路——運算放大器，其某些特性（高輸入電阻、低輸出電阻和大差分增益）使其成為接近理想的放大器，并且是很多電路應(yīng)用中的有用構(gòu)建模塊。在本實驗中，您將了解有源電路的直流偏置，并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(xù)培養(yǎng)使用實驗室硬件的技能。

材料

ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

無焊面包板和跳線套件

一個1kΩ電阻

兩個4.7kΩ電阻

兩個10kΩ電阻

兩個OP97（低壓擺率放大器隨附新版本ADALP2000模擬部件套件）

兩個0.1μF電容（徑向引線）

1.1運算放大器基礎(chǔ)知識

第一步：連接直流電源

運算放大器必須始終采用直流電源供電，因此建議先配置這些連接，然后添加其他電路元件。圖1顯示了無焊面包板上一種可能的電源配置。我們將兩根長軌用于提供正負(fù)電源電壓，另兩根用于可能需要的接地連接。板上包括電源去耦電容，其連接在電源和接地軌之間?，F(xiàn)在詳細(xì)討論這些電容的用途還為時過早，主要是用于降低電源線上的噪聲并避免寄生振蕩。在模擬電路設(shè)計中，在電路中每個運算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容是一種良好的做法。

將運算放大器插入面包板，然后添加導(dǎo)線和電容，如圖1所示。為避免以后出現(xiàn)問題，可能需要在面包板上貼一個小標(biāo)簽，指示哪些電源軌對應(yīng)+Vp、-Vn和地。應(yīng)利用顏色區(qū)分導(dǎo)線，紅色為Vp，黑色為Vn，綠色為地，這有助于實現(xiàn)有序連接。

圖1.電源連接。接下來，在ADALM2000板和面包板上的端子之間建立電源和GND連接。使用跳線為電源軌供電，如圖所示。注意，電源GND端子將是電路接地基準(zhǔn)。完成電源連接之后，可能需要使用數(shù)字萬用表（DMM）直接探測IC引腳，確保引腳7為5V，引腳4為-5V。注意，使用電壓表測量電壓之前，必須運行Scopy軟件并已打開電源。

單位增益放大器（電壓跟隨器）

背景知識：

第一個運算放大器電路（如圖2所示）很簡單。這稱為單位增益緩沖器，有時也稱為電壓跟隨器，它由轉(zhuǎn)換函數(shù)VOUT=VIN定義。乍一看，該電路似乎是一個無用的器件，但正如我們稍后將展示的那樣，其有用之處在于高輸入電阻和低輸出電阻。

圖2.單位增益跟隨器。

硬件設(shè)置

使用面包板和ADALM2000電源運算放大器電阻，構(gòu)建圖3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(jìn)行電源的連接（如上一步中所做的那樣），因此從現(xiàn)在開始沒必要都在原理圖中顯示出來。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發(fā)生器和示波器引線。別忘了將示波器負(fù)輸入引線C1-和C2-接地（原理圖中未顯示接地連接）。

圖3.單位增益跟隨器面包板電路。

步驟

將第一個波形發(fā)生器用作VIN源，向電路提供2V幅度、1kHz正弦波激勵。配置示波器，使通道2上顯示輸入信號，通道1上顯示輸出信號。導(dǎo)出所產(chǎn)生的兩個波形圖，并將其包含在實驗報告中，注意波形參數(shù)（峰值和基波時間周期或頻率）。您的波形應(yīng)當(dāng)確認(rèn)其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。

產(chǎn)生的波形如圖4所示。

圖4.單位增益跟隨器波形

壓擺率限值

對于理想的運算放大器，輸出將會精確跟隨任何輸入信號，但在實際放大器中，輸出信號永遠(yuǎn)不會立即響應(yīng)輸入信號。當(dāng)輸入信號是一個快速變化的時間函數(shù)時，可以觀察到這種非理想特性。對于大幅度信號，此限制通過壓擺率進(jìn)行量化，即運算放大器能夠提供的輸出電壓的最大變化率（斜率）。壓擺率通常以V/μs表示。

將波形發(fā)生器設(shè)置為生成2V幅度的方波信號，增加頻率直到看到明顯偏離理想行為，即當(dāng)輸出開始看起來更像梯形而不是方波時?？赡苄枰{(diào)整示波器顯示上的時間量程(sec/div)來觀察這種情況。此時導(dǎo)出輸出波形圖并測量其10%至90%的上升時間（和90%至10%的下降時間），如圖5中所定義。另請注意輸出信號的峰峰值電壓。根據(jù)測量結(jié)果計算并記錄上升和下降輸出的壓擺率。評論為什么對上升沿和下降沿的響應(yīng)可能會不同。