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學子專區——ADALM1000 SMU培訓

本文作者：Antoniu Miclaus 點擊： 2020-05-06 19:36

前言：

主題：基本運算放大器配置作者：ADI 顧問Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus

目標：
在本實驗中，我們將介紹一種主動電路——運算放大器(op amp)，其某些特性（高輸入電阻、低輸出電阻和大差分增益）使其成為近乎理想的放大器，並且是很多電路應用中的實用構建模組。在本實驗中，我們將協助您瞭解主動電路的直流偏置，並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發展使用實驗室硬體的技能。

材料：
u ADALM1000硬體模組
u 無焊試驗板和跳線套件
u 一個1 kΩ電阻
u 三個4.7 kΩ電阻
u 兩個10 kΩ電阻
u 一個20 kΩ電阻
u 兩個AD8541 元件（CMOS軌對軌放大器）
u 兩個0.1 μΩ電容（徑向引線）

1.1 運算放大器基礎知識
第一步：連接直流電源
必須為運算放大器始終提供直流電源，因此在添加任何其他電路元件之前，最好配置這些連接。圖1顯示了無焊試驗板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長軌用於正電源電壓和地，另一根用於可能需要的2.5 V中間電源連接。板上包括電源去耦電容，其連接在電源和地(GND)軌之間。現在詳細討論這些電容的用途還為時過早，只需知道它們用於降低電源線上的雜訊並避免寄生振盪。在類比電路設計中，務必在電路中每個運算放大器的電源針腳附近使用小型旁路電容，這被認為是良好的實踐。

圖1.電源連接

將運算放大器插入試驗板，然後添加導線和電容，如圖1所示。為避免以後出現問題，可能需要在試驗板上貼一個小標籤，指示哪些電源軌對應5 V、2.5 V和地。導線應利用顏色加以區分：紅色為5 V，黑色為2.5 V，綠色為GND。這有助於保持連接的有序性。

接下來，在ADALM1000板和試驗板上的端子之間建立5 V電源和GND連接。使用跳線為電源軌供電。注意，電源GND端子將是電路接地基準。有了電源連接之後，可能需要使用DMM直接探測IC針腳，確保針腳7為5 V且針腳4為0 V（地）。

注意，使用電壓表測量電壓之前，必須將ADALM1000插入USB埠。

單位增益放大器（電壓跟隨器）：
第一個運算放大器電路很簡單（如圖2所示）。這稱為單位增益緩衝器，有時也稱為電壓跟隨器，它由轉換函數VOUT = VIN定義。乍一看，它似乎是一個無用的元件，但正如我們稍後將展示的，其有用之處在於高輸入電阻和低輸出電阻。

圖2.單位增益跟隨器

使用試驗板和ADALM1000電源，構建圖2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行這些連接（如上一步中所做的那樣），因此從這裡開始，原理圖中沒必要顯示它們。使用跳線將輸入和輸出連接到波形產生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。

通道A電壓產生器設定為1.0 V最小值和4.0 V最大值（3 V p-p，以2.5 V為中心），使用500 Hz正弦波。配置示波器，使輸入訊號跡線顯示為CA-V，輸出訊號跡線顯示為CB-V。匯出所產生的兩個波形圖，並將其包含在實驗報告中，注意波形參數（峰值和頻率的基波時間週期）。你的波形應當確認其為單位增益或電壓跟隨器電路的說明。

緩衝示例：
運算放大器的高輸入電阻（零輸入電流）意味著產生器上的負載非常小；也就是說，沒有從源電路汲取電流，因此任何內部電阻（大衛寧等效值）上都沒有電壓降。所以，在這種配置中，運算放大器的作用類似於緩衝器，遮罩訊號源免受系統其他部分帶來的負載效應。從負載電路的角度看，緩衝器將非理想電壓源轉換成近乎理想的電壓源。圖3給出了一個簡單的電路，我們可以用它來展示單位增益緩衝器的這個特性。在這裡，緩衝器插在分壓器電路和某一負載電阻（10 kΩ電阻）之間。

圖3.緩衝器示例

斷開電源並將電阻添加到電路中，如圖3所示（注意這裡沒有更改運算放大器連接，我們只是相對於圖2翻轉了運算放大器符號以更適切地安排導線）。

重新連接電源，並將波形產生器設置為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為中心）。同時觀察VIN CA-V和VOUT CB-H，並在實驗報告中記錄幅度。使用示波器輸入CB-H還能測量運算放大器針腳3上的訊號幅度。

圖形實例如圖4所示。

圖4.緩衝器曲線

移除10 kΩ負載，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度。現在移動針腳3和2.5 V之間的1 kΩ負載，使其與4.7 kΩ電阻並聯。記錄輸出幅度如何變化。你能預測新的輸出幅度嗎？

簡單放大器配置

反相放大器：

圖5所示為常規反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負載電阻。

圖5.反相放大器配置

現在使用R2 = 4.7kΩ組裝圖5所示的反相放大器電路。組裝新電路之前，請記住斷開電源。根據需要切割和彎曲電阻引線，使其平放在電路板表面，並為每個連接使用最短的跳線（如圖1所示）。請記住，試驗板具有很大的靈活性。例如，電阻R2的引線不一定要將運算放大器從針腳2橋接到針腳6；你可以使用中間節點和跳線來繞過該元件。

重新連接電源並觀察電流消耗，確保沒有意外短路。現在將波形產生器調整為500 Hz正弦波，設置為2.1 V最小值和2.9 V最大值（0.8 V p-p，以2.5 V為中心），並再次在示波器上顯示輸入和輸出。測量和記錄此電路的電壓增益，並與課堂上討論的原理進行比較。匯出輸入/輸出波形圖，並將其包含在實驗報告中。

圖形實例如圖6所示。

圖6.反相放大器曲線

趁此機會說明一下電路調試。在課堂中的某個時候，你可能無法讓電路工作。這並不意外，沒有人是完美的。但是，你不應簡單地認為電路不工作必定意味著元件或實驗儀器有故障。這基本上不是事實，99%的電路問題都是簡單的接線或電源錯誤。即便是經驗豐富的工程師也會不時出錯，因此，學會如何調試電路問題是學習過程中非常重要的一部分。為你診斷錯誤不是助教的責任，如果你以這種方式依賴其他人，那麼你就錯過了實驗的一個關鍵點，你將不大可能在以後的課程中取得成功。除非你的運算放大器冒煙，電阻上出現了棕色燒傷痕跡，或者電容發生爆炸，否則你的元元件很可能沒問題。事實上，大多數元件在發生重大損傷之前都能容忍一定程度的濫用。當事情不妙時，最好的辦法就是斷開電源並尋找一個簡單的解釋，而不要急著責怪元件或設備。在這方面，DMM可是一件十分有價值的調試工具。

輸出飽和：
現在將圖5中的回饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ。現在的增益是多少？將輸入訊號的幅度緩慢增加至2 V，仍然以2.5 V為中心，並將波形匯出到實驗室筆記型電腦中。任何運算放大器的輸出電壓最終都會受電源電壓的限制，而在很多情況下，由於電路中存在內部電壓降，實際限制要遠小於電源電壓。根據你的以上測量結果量化AD8541的內部壓降。如果你有時間，可嘗試用OP97或OP27放大器替換AD8541，並比較它能產生的最小和最大輸出電壓。

求和放大器電路：
圖7所示電路是一個帶有四個輸入的基本反相放大器，稱為求和放大器。圖7的配置與你在教科書中看到的略有不同，因為ADALM1000只提供單個正電源電壓。放大器的同相(+)輸入連接到2.5 V，即電源電壓的一半，而不是接地。這就改變了求和放大器方程式。輸入電阻上出現的輸入電壓現在是相對於2.5 V（即所謂共模電平）進行測量。它們應減去2.5 V，因此0 VIN變為-2.5 V，+3.3 VIN變為+0.8 V。輸出電壓也應相對於+2.5 V電平來測量。為使常規方程式正確，輸出電壓也將減去2.5 V共模位準。另一種思路是考慮所有輸入均為2.5 V（或懸空）的情況。任何輸入電阻中都沒有電流流動（其兩端的電壓為0 V），因此回饋電阻中也沒有電流流過（其電壓為0 V）。輸出電壓將為2.5 V。

此電路使用四個數位輸出PIO 0、PIO 1、PIO 2和PIO 3作為輸入電壓源。每個數位輸出具有接近0 V的低輸出電壓或接近3.3 V的高輸出電壓。使用疊加（並校正2.5 V共模電平），我們可以由此證明VOUT是VPIO0、VPIO1、VPIO2和VPIO3的線性和，其中每個都有自己獨特的增益或比例係數（由1 kΩ回饋電阻除以各自電阻所得的比值設定）。

PIO 0值最高，輸出變化最小（最低有效位），PIO 3值最低，輸出變化最大（最高有效位）。請注意，PIO 3電阻由兩個4.7 kΩ電阻並聯而成。

圖7.求和放大器配置

斷開電源後，修改反相放大器電路，如圖7所示。重新連接電源，然後使用數位輸出控制項填寫以下兩個表格。在第一個表格中，記錄每個數位輸出的低電壓和高電壓。在高阻模式下使用CB-H示波器輸入來完成此任務。在第二個表格中，記錄PIO 0、PIO 1、PIO 2、PIO 3的所有16種1和0組合的輸出電壓。你還應確認，當所有四位懸空或處於高阻(X)狀態時，輸出電壓確實為2.5 V。

表1.低電壓和高電壓

數字針腳	低電壓	高電壓
PIO 0
PIO 1
PIO 2
PIO 3

表2.輸出電壓

數字位元	輸出電壓
P3、P2、P1、P0
0000
0001
0010
0011
0100

使用電阻值計算每個輸入組合的預期輸出電壓，並與測量值進行比較。

同相放大器：
同相放大器配置如圖8所示。與單位增益緩衝器一樣，此電路具有（通常）較好的高輸入電阻特性，因此它可用於緩衝增益大於1的非理想訊號源。

圖8.具有增益的同相放大器

組裝圖8所示的同相放大器電路。組裝新電路之前，請記得關閉電源。從R2 =1 kΩ開始。

施加一個500 Hz正弦波，CA-V設定為2.0 V最小值和3.0 V最大值（1 V p-p，以2.5 V為中心），並在示波器上顯示輸入和輸出波形。測量此電路的電壓增益，並與課堂上討論的原理進行比較。匯出波形圖並將其包含在實驗報告中。

圖形實例如圖9所示。

圖9.同相放大器曲線

將回饋電阻(R2)從1 kΩ增加到約4.7 kΩ。記住，你可能需要降低輸入的幅度以防止輸出飽和（削波）。現在的增益是多少？

增加回饋電阻，直到削波開始——也就是說，直到輸出訊號的峰值因為輸出飽和而開始變平。請記錄這種情況發生時的電阻。現在將回饋電阻增加到100 kΩ。在你的筆記本中描述並繪製波形。此時的理論增益是多少？考慮此增益，輸入訊號必須小到什麼程度才能使輸出電平始終低於5 V？嘗試將波形產生器調整為此值。描述所實現的輸出。

最後一步則是強調高增益放大器的重要考慮因素。對於小輸入位準而言，高增益必然意味著大輸出。有時候，這可能導致意外飽和，原因是對某些低位準雜訊或干擾進行了放大，例如對拾取自電力線的雜散60 Hz訊號的放大。放大器會放大輸入端的任何訊號......無論你是否需要！

運算放大器用作比較器
將運算放大器配置為比較器，便可利用運算放大器的高固有增益和輸出飽和效應，如圖10所示。這本質上是一個二元狀態決策電路：如果“+”端子上的電壓大於“–”端子上的電壓，VIN > VREF，則輸出變為高位準（在其最大值時飽和）。相反的，如果 VIN < VREF，則輸出變為低位準。電路比較兩個輸入端的電壓，根據相對值產生輸出。與之前的所有電路不同，輸入和輸出之間沒有回饋；對於這種情況，我們說電路是開環運行的。