实验27运算放大器OP273Word格式文档下载.docx

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□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

（27-1）

其中，負號代表輸出與輸入訊號反相。

此放大器之增益可為

增益=

（27-2）

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27-2OP放大器之負回授電路

圖27-3OP放大器亦可作為－非反相放大器

（27-3）

而其增益為

（27-4）

式（27-1）至（27-4）顯示，輸出電壓與回授電阻RF、RR之比值有關，因此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=RF//RR（圖27-5），如此將使反相端與非反相端的輸入阻抗相等，便可消除偏壓電流不平衡所形成的誤差。

圖27-4OP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RF=R1=

R2，輸出電壓為

（27-5）

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，V1=+3V，V2=2.5V則

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RF、R1、R2之電阻值。

例如:

RF=2R1=3R2，則

圖27-6OP放大器作為加法器

（27-6）

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（RS≦10KΩ）正常為90dB

輸出阻抗75Ω

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，RL≧2KΩVout=±

10V15，000

輸出電壓擺幅，RL≧2KΩ±

13V，typical

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。

4.圖27-2的反相放大器，它的輸出電壓公式為

其中負號代表輸出與輸入相位差180°

輸入之共模電壓範圍與電源電壓之關係

輸出電壓擺幅與電源之關係

開路增益與電源電壓之關係

輸入電阻與溫度之關係

輸入偏壓電流與溫度之關係

頻率特性與溫度之關係

輸出短路電流與溫度之關係

功率消耗與溫度之關係

圖27-8特性曲線（Faichild）

5.反相放大器之增益為

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

而且，此放大器的增益為

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＝RF//RR來解決。

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RF＝5KΩ，RR＝1.25KΩ，則此線路的增益為______。

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RF＝10KΩ，RR＝10KΩ，輸入電壓為VPP=1V之交流電壓，則輸出電壓之VPP=______V。

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，RF=Rl=R2=10KΩ。

如果V1=V2=－1.5V，則輸出電壓為______V。

8.圖27-6中，RF=10KΩ，Rl=5KΩ，R2=2.5KΩ，如果V1=1.5V，V2=－1.5V，輸出電壓為_____V。

實驗程序

OP之增益

1.如圖27-9，RF=RR=10KΩ，S1及S2為OFF，設定兩電源供應器各為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.S1及S2ON。

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VPP值，填入表27-l。

此為回授電阻存在時之最大輸出電壓。

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Vin，並量取Vin值，記錄在表27-1。

5.計算並記錄放大器之增益（Vout/Vin）。

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RR值，重覆步驟3~7，將表27-1填滿。

非反相放大器

9.S1及S2OFF。

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，0V之弦波。

圖27-10非反相放大器

表27-2非反相OP放大器

11.將S1及S2ON，如同表27-1的步驟，將表27-2填滿。

OP放大器作為反相加法器

12.將S1及S2OFF。

線路接成圖27-11之型式，但電源部份仍同圖27-9。

圖27-11中令RF=Rl=R2=10KΩ，Vl及V2為1.5V電池。

13.S1，S2ON，但S1，S3OFF。

量取V1及Vout，記錄在表27-3中。

14.S3為OFF，但S4改為ON，重覆步驟13。

15.S2，S3，S4均為ON，量取Vin，Vout，記錄在表27-3。

16.S3，S4為ON，但令Vl之相位相反，量取Vout及Vin並記錄之。

17.仍使用2個1.5V電池，但自行設計V1，V2之極性及各個電阻之值，使Vout=－4.5V，將計算結果記錄下來。

另外準備一張表格，量取並記錄Vout。

圖27-11加法器線路

表27-3OP放大器作為加法器

18.同上，但Vout=1.5V。

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？

3.反相放大器之增益與RF及RR有何關係？

4.表27-1的數據，是否證實增益公式（RF/RR）為正確的？

請計算之。

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？

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