目标：

在本实验中，我们将介绍一种有源电路——运算放大器（op amp），其某些特性（高输入电阻、低输出电阻和大差分增益）使它成为近乎理想的放大器，并且是很多电路应用中的有用构建模块。在本实验中，你将了解有源电路的直流偏置，并探索若干基本功能运算放大器电路。我们还将利用此实验继续发展使用实验室硬件的技能。

材料：

u         ADALM1000硬件模块

u         无焊试验板和跳线套件

u         一个1 kΩ电阻

u         三个4．7 kΩ电阻

u         两个10 kΩ电阻

u         一个20 kΩ电阻

u         两个AD8541 器件（CMOS轨到轨放大器）

u         两个0．1 μΩ电容（径向引线）

1．1 运算放大器基础知识

第一步：连接直流电源

必须为运算放大器始终提供直流电源，因此在添加任何其他电路元件之前，最好配置这些连接。图1显示了无焊试验板上的一种可能的电源配置。我们将两根长轨用于正电源电压和地，另一根用于可能需要的2．5 V中间电源连接。板上包括电源去耦电容，其连接在电源和地（GND）轨之间。现在详细讨论这些电容的用途还为时过早，只需知道它们用于降低电源线上的噪声并避免寄生振荡。在模拟电路设计中，务必在电路中每个运算放大器的电源引脚附近使用小型旁路电容，这被认为是良好实践。

图1．电源连接

将运算放大器插入试验板，然后添加导线和电容，如图1所示。为避免以后出现问题，可能需要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。导线应利用颜色加以区分：红色为5 V，黑色为2．5 V，绿色为GND。这有助于保持连接的有序性。

接下来，在ADALM1000板和试验板上的端子之间建立5 V电源和GND连接。使用跳线为电源轨供电。注意，电源GND端子将是电路接地基准。有了电源连接之后，可能需要使用DMM直接探测IC引脚，确保引脚7为5 V且引脚4为0 V（地）。

注意，使用电压表测量电压之前，必须将ADALM1000插入USB端口。

单位增益放大器（电压跟随器）：

第一个运算放大器电路很简单（如图2所示）。这称为单位增益缓冲器，有时也称为电压跟随器，它由转换函数VOUT ＝ VIN定义。乍一看，它似乎是一个无用的器件，但正如我们稍后将展示的那样，其有用之处在于高输入电阻和低输出电阻。

图2．单位增益跟随器

使用试验板和ADALM1000电源，构建图2所示的电路。请注意，此处未明确显示电源连接。任何实际电路中都会进行这些连接（如上一步中所做的那样），因此从这里开始，原理图中没必要显示它们。使用跳线将输入和输出连接到波形发生器输出CA－V和示波器输入CB－H。

通道A电压发生器设置为1．0 V最小值和4．0 V最大值（3 V p－p，以2．5 V为中心），使用500 Hz正弦波。配置示波器，使输入信号迹线显示为CA－V，输出信号迹线显示为CB－V。导出所产生的两个波形图，并将其包含在实验报告中，注意波形参数（峰值和频率的基波时间周期）。你的波形应当确认其为单位增益或电压跟随器电路的说明。

缓冲示例：

运算放大器的高输入电阻（零输入电流）意味着发生器上的负载非常小；也就是说，没有从源电路汲取电流，因此任何内部电阻（戴维宁等效值）上都没有电压降。所以，在这种配置中，运算放大器的作用类似于缓冲器，屏蔽信号源免受系统其他部分带来的负载效应。从负载电路的角度看，缓冲器将非理想电压源转换成近乎理想的电压源。图3给出了一个简单的电路，我们可以用它来演示单位增益缓冲器的这个特性。这里，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（注意这里没有更改运算放大器连接，我们只是相对于图2翻转了运算放大器符号以更好地安排导线）。

重新连接电源，并将波形发生器设置为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）。同时观察VIN CA－V和VOUT CB－H，并在实验报告中记录幅度。使用示波器输入CB－H还能测量运算放大器引脚3上的信号幅度。

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。记录幅度。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。记录输出幅度如何变化。你能预测新的输出幅度吗？