实验27运算放大器(op)273

实验27运算放大器(op)273 -------------------------------------------- 實驗 27 運算放大器(0P) -------------------------------------------- 實驗目的 1.由實驗中去了解OP之增益可由外部線路形成的負回授來決定。 2.OP作為一個非反相放大器。 3.OP作為一個反相加法器。 實驗器材 ?雙電源、電源供應器、示波器、波形產生器、數位電錶。 ?電阻,10KΩ×3(1/2W),5KΩ×1,3.33KΩ× l,2.5KΩ×1,20KΩ×1,30KΩ×1。 ?IC,741C。 ?其它,四個SPST開關,2個1.5V電池。 基本原理 IC運算放大器 OP放大器為一高增益、直接耦合的線性差動放大器,其特性可由輸出連接一線路到輸入所形成的負回授來決定。OP的用途很多,在數學運算上可作為加減法器、積分器、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,可看到其很類似實習25的差動放大器,它們都有二個輸入,一個為(+),一個為(,),負號代表反相輸入端。如果訊號加於反相端,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應用電路中,我們皆用圖27-1的符號,這是由於OP內部線路甚為複雜之原因。 負回授 圖27-2顯示一個基本負回授電路,可看到輸出端回饋訊號到反相端,如此方能提供負回授。輸入訊號加在反相端輸入,如此一來,輸出之相位將與輸入訊號相反。當然,OP也能使輸出和輸入為同相位,只要加在非反相端,如圖27-3 。注意圖27-3的線路,負回授之關係仍存在著。 OP增益的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 不在本書的討論範圍之內,學者可自行參考相關書籍。因此,本書不分析公式,但會將各種OP線路之公式寫出,作為實驗之依據。 如圖27-2中,OP放大器的輸出可由式(27-1)決定 RFV=V, (27-1) outinRR 其中,負號代表輸出與輸入訊號反相。此放大器之增益可為 RF增益= (27-2) RR 對於圖27-3中之非反相放大器 圖27-1運算放大器OP之符號 圖27-2 OP放大器之負回授電路 圖27-3 OP放大器亦可作為,非反相放大器 ,,RFV=1+V (27-3) outin,,RR,, 而其增益為 ,,RF1，增益= (27-4) ,,RR,, 式(27-1)至(27-4)顯示,輸出電壓與回授電阻R、R之比值有關,因FR 此OP之增益也就與RF及RR有關了。 圖27-4為一非反相之電壓隨耦器,此線路亦稱為單增益放大器。因為此放大器之增益為1。 OP當然不可能是完全理想的,難免會有誤差存在,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電阻R,R=R//R(圖27-5),如此將使反相端與非反相端的輸入阻抗相等,便FR 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補償輸入偏壓誤差。如此一來 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R=R= F1R,輸出電壓為 2 V=V+V,，， (27-5) o12 也就是說,輸出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,V=+3V,1V=2.5V則 2 V=32.5=0.5V,,,，， o 圖27-6的線路輸出,可依吾人之設計不同而對兩輸入作加權。加權方式為利用R、R、R之電阻值。例如:R=2R=3R,則 F12F12 圖27-6 OP放大器作為加法器 ,,RRFFV=V+V, o12,, RR11,, V=2V+3V,，， (27-6) o11 圖27-6的加法器亦可稍做修正,使輸入可以有3個或更多。 OP放大器之規格 OP放大器之製造廠商通當提供基本電路方塊圖、線路圖、OP之規格及特性曲線表。在本實驗中用到的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,一種為軍規(M),另一種為商規(C)。這二種等級的包裝是不同的。本實驗所用的741IC為商規,編號為741HC。 圖27-7(a)線路圖 圖27-7(b)741C接腳圖(Fairchild公司) 741HC製造商列出的規格如下, 供應電源 ?18V 內部電力消耗 500mW 差動輸入電壓 ?30V 工作溫度 0? ~ 70?。 輸入偏壓電流 800nA 輸入阻抗 0.3~2MΩ 共摸互斥比(R?10KΩ) 正常為90dB S 輸出阻抗 75 Ω 輸出短路電流 25mA 供應電流 正常為2.8mA 功率消耗 正常為85mW 大訊號增益,R?2KΩ V=?10V 15,000 Lout 輸出電壓擺幅,R?2KΩ ?13V,typical L 至於一些有關741C之特性曲線表在圖27-8。 摘要 1.運算放大器為一高增益直接耦合的差動放大器,其增益可由外部負 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。輸入訊號亦同時加在反相輸入端。 RFV=-V4.圖27-2的反相放大器,它的輸出電壓公式為。其中負outinRR 號代表輸出與輸入相位差180?。 開路增益與電源輸出電壓擺幅與輸入之共模電壓範圍 電壓之關係 電源之關係 與電源電壓之關係 輸入偏壓電流與輸入電阻與溫度輸入偏壓電流與 溫度之關係 之關係 溫度之關係 功率消耗與溫度輸出短路電流與頻率特性與溫度 之關係 溫度之關係 之關係 圖27-8特性曲線(Faichild) RF5.反相放大器之增益為。 RR 6.圖27-3中的非反相放大器,輸入訊號加至非反相端,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 ,,RFV=1+V,, outinRR,, RF1+而且,此放大器的增益為。 RR 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, R,R//R來解決。 FR 12.OP放大器的線路圖、方塊圖及特性規格表,皆由製造廠商提供。 自我評量 1.OP的增益可藉由______改變之。 2.圖27-2的線路中R,5KΩ,R,1.25KΩ,則此線路的增益為 FR ______。 3.繼續前面的問題,如果一個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R,10KΩ,R,10KΩ,輸入電壓為V=1 V之FRPP交流電壓,則輸出電壓之V=______ V 。 PP 5.圖27-3中,一個相位為正的訊號加於輸入端,則輸出之相位為______。(“正”或“負”) 6.圖27-4的線路,若1.5V的直流電壓加在輸入上,則輸出為______V 。 7.圖27-6,R=R=R=10KΩ 。如果V=V=,1.5V,則輸出電壓為Fl212 ______ V 。 8.圖27-6中,R=10KΩ,R=5KΩ,R=2.5KΩ,如果V =1.5V,V=Fl212,1.5V,輸出電壓為_____ V。 實驗程序 OP之增益 1.如圖27-9,R=R=10KΩ,S及S為OFF,設定兩電源供應器各為FR12 9V,同時波形產生器輸出1KHz電壓為0之弦波,示波器為外部觸發同步模式,同步來源為波形產生器。 2.S及S ON 。 12 3.逐漸增加波形產生器之弦波電壓,一直到放大器之輸出波形為最大不失真,量取輸出電壓之V值,填入表27-l 。此為回授電阻存在PP 時之最大輸出電壓。 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V,並量取V值,記錄在表27-1 。 inin 5.計算並記錄放大器之增益(V/V)。 outin 6.比較輸出與輸入之相位,看是同相位或是相差180?。 7.將波形產生器的電壓降到零。 8.對不同的R值,重覆步驟3~7,將表27-1填滿。 R 非反相放大器 9. S及S OFF 。 12 10.連接圖27-10線路,電源均為9V,接法同圖27-9,波形產生器亦為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S及S ON,如同表27-1的步驟,將表27-2填滿。 12 OP放大器作為反相加法器 12.將S及S OFF 。線路接成圖27-11之型式,但電源部份仍同圖 12 27-9 。圖27-11中令R=R=R=10KΩ,V及V為1.5V電池。 Fl2l213.S,S ON,但S,S OFF 。量取V及V,記錄在表27-3中。 12131out14.S為OFF,但S改為ON,重覆步驟13 。 34 15.S,S,S均為ON,量取V,V,記錄在表27-3 。 234inout16.S,S為ON,但令V之相位相反,量取V及V並記錄之。 34loutin17.仍使用2個1.5V電池,但自行設計V,V之極性及各個電阻之12值,使V= ,4.5V,將計算結果記錄下來。另外準備一張表格,量out 取並記錄V。 out 圖27-11加法器線路 表27-3 OP放大器作為加法器 18.同上,但V=1.5V 。 out 19.由實驗中去觀察求證,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否,請由實驗數據回答之。 2.前述幾種OP電路,輸出與輸入電壓之相位關係為何,請由實驗數據回答之。 3.反相放大器之增益與R及有何關係,請由實驗數據回答之。 FRR 4.表27-1的數據,是否證實增益公式(R/R)為正確的,請計算之。 FR 5.表27-2的數據,是否證實非反相放大器的增益公式是正確的,請計算之。 6.在那一個實驗步驟,OP加法器之電路形成了減法器。 自我評量解答 1.外部回授電阻。 2.4。 3.-2。 4.2 。 5.正。 6.+1.5。 7.+3。 8.+3