運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板

作者： Mark Thoren，ADI 公司系統(tǒng)工程師

典型基于實(shí)驗(yàn)的《電子工程基礎(chǔ)》課一般是從最基礎(chǔ)的知識(shí)開(kāi)始的：先講授電阻器、電容器、電感器、二極管，以及如何使用基爾霍夫定律分析基本電路。針對(duì)這些主題的實(shí)驗(yàn)通常用到一個(gè)兩極對(duì)立的器件：福禍相依，愛(ài)恨交織；既是電子探索的無(wú)限樂(lè)園，也是電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的噩夢(mèng)。這個(gè)神奇而又可怕的器件是什么呢？就是無(wú)焊面包板。

關(guān)于無(wú)焊面包板，我們?cè)诖瞬蛔鲞^(guò)多贅述，只想說(shuō)它們絕對(duì)有其用武之地，而且不會(huì)很快消失。對(duì)于了解電子元件的實(shí)際感覺(jué)、構(gòu)建最初的幾條電路（同時(shí)允許元件重復(fù)使用）以及在電子設(shè)備上實(shí)現(xiàn) "Hello, World!" 的效果，無(wú)焊面包板無(wú)疑是非常有用的。- 點(diǎn)亮 LED 燈（別忘了串聯(lián)電阻！）。但是，在最初的幾個(gè)只有 3、4、5 或 6 個(gè)元件的電路（如圖 1 所示的 2^ ^階低通濾波器 ^1^ ）之后，出現(xiàn)連接錯(cuò)誤、短路、開(kāi)路以及最糟糕的間歇性連接的概率會(huì)就會(huì)急劇上升。

圖 1.典型的“簡(jiǎn)易”面包板電路。（圖片來(lái)源：[Analog Devices] ）

隨著電路復(fù)雜性和元件數(shù)量的增加，到某個(gè)決策點(diǎn)時(shí)，面包板變得不切實(shí)際 ^2^ ，生產(chǎn)電路板在技術(shù)上變得必不可少，且在經(jīng)濟(jì)上也變得可行。得益于豐富多樣的低成本、免費(fèi)、開(kāi)源布局軟件，再加上低成本的電路板制造商，這一決策點(diǎn)的復(fù)雜程度已經(jīng)變得相當(dāng)?shù)汀，F(xiàn)在，只需觀看幾段教學(xué)視頻，下載一個(gè)免費(fèi)的布局設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)一塊電路板，一周后就能郵寄到手，而且價(jià)格僅為區(qū)區(qū)幾美元。這對(duì)教育工作者和學(xué)生來(lái)說(shuō)都是一個(gè)機(jī)遇，因此讓我們跳過(guò)任何思想實(shí)驗(yàn)，舉一個(gè)真實(shí)的例子。

在分壓器、簡(jiǎn)單 RC 濾波器、二極管和一兩個(gè)晶體管放大器等最基本的電路之后，學(xué)生經(jīng)常接觸到的下一個(gè)元件是運(yùn)算放大器，或稱(chēng)“運(yùn)放”。運(yùn)算放大器（純模擬）是一種用途極廣的元件。即使到了 2023 年，隨著人們開(kāi)始關(guān)注人工智能 (AI)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)字這個(gè)、軟件那個(gè)，也總會(huì)有來(lái)自物理世界的小信號(hào)需要放大，弱信號(hào)需要增強(qiáng)，通常通過(guò)驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，然后信號(hào)就完全進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域了。反之亦然，來(lái)自數(shù)字世界的信號(hào)要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后傳遞到無(wú)線電發(fā)射器、揚(yáng)聲器、耳塞或顯示器，最終給人類(lèi)使用（絕對(duì)要是模擬信號(hào)）。

學(xué)生要制作的最初幾個(gè)運(yùn)算放大器電路并不復(fù)雜，由運(yùn)算放大器本身、電源旁路電容器（別忘了這些?。┖鸵恍Q定功能的無(wú)源元件組成。實(shí)例包括：

• 電壓跟隨器/統(tǒng)一增益緩沖器
• 增益為 -1 （模擬反相器）
• 增益為 +2
• 其他反相和非反相增益
• 差分放大器
• 積分器（和低通濾波器）
• 微分器（和高通濾波器）

這些電路中的任何一個(gè)都可以在面包板上搭建，而且成功的概率很高。但如果考慮所有電路，考慮某個(gè)下午實(shí)驗(yàn)課上的所有學(xué)生，那就會(huì)遇到挫折，最壞的情況是運(yùn)算放大器冒出魔法煙霧 ^3^ 。

圖 2 中的電路設(shè)計(jì)用于測(cè)試、測(cè)量和探索所有這些配置，成功率為 100%，總成本僅為幾美元。此外，配置是通過(guò)跳線選擇的，學(xué)生可以輕松地在不同功能之間切換，從而更快地建立直覺(jué)——例如，在反相增益和非反相增益之間來(lái)回切換，或者在微分器和積分器之間來(lái)回切換。

圖 2a.運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板 Kicad 原理圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

圖 2b.用于仿真的運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板 LTspice 原理圖（圖片來(lái)源：Analog Devices）

圖 2c.運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)電路板。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

該電路板可容納多種運(yùn)算放大器類(lèi)型，并可通過(guò)在電路板上安裝插座來(lái)更換單個(gè)器件。單運(yùn)放和雙運(yùn)放均具有標(biāo)準(zhǔn)的 8 引腳布局。單運(yùn)放的額外引腳具有多種功能，最常見(jiàn)的是通過(guò)電位計(jì)進(jìn)行偏移調(diào)整，電位計(jì)的刮片與其中一個(gè)電源軌相連；該功能完全支持。中央 SIP 插座可容納 Analog Devices 提供的[主動(dòng)學(xué)習(xí)練習(xí)]中所述的分立晶體管運(yùn)算放大器。

在進(jìn)入工作臺(tái)之前，最好先在紙上完成電路設(shè)計(jì)，根據(jù)所選元件計(jì)算出預(yù)期行為。在輸入所有元件值后，我們將提供 LTspice 仿真，為預(yù)測(cè)電路行為提供另一種方法，包括瞬態(tài)（時(shí)域）和交流（頻域）響應(yīng) ^4^ 。

最后，讓我們打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，看看電路在現(xiàn)實(shí)世界中的表現(xiàn)。在這里，我們將使用 Analog Device 的 [ADALM2000]，但該電路板可與幾乎所有的雙極臺(tái)式電源、信號(hào)發(fā)生器和示波器以及像 Red Pitaya 的 [STEMlab] 板這樣的其他多功能測(cè)試儀器配合使用。

我們將從 [ADALP2000] 零件套件中的 [OP97] 放大器開(kāi)始，其供電范圍非常寬，從 ±2.25 V 到 ±20 V，而 ADALM2000 的電源輸出也相應(yīng)設(shè)置為 ±5 V。我們將在電路板上配置一個(gè)更有趣的電路，即差分放大器，并在非反相輸入端施加 1 kHz、1 Vp-p 正弦波，在反相輸入端施加 100 Hz、1 V 鋸齒波。如圖 3a（LTspice 仿真）和圖 3b（測(cè)量結(jié)果）所示，通過(guò)這種波形，我們可以清楚地觀察到反相輸入端的極性反轉(zhuǎn)。通道 1（橙色）是運(yùn)算放大器的輸出，通道 2 是電路的反相輸入。

圖 3a.差分放大器 LTspice 仿真。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

圖 3b.差分放大器測(cè)量結(jié)果。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

其他幾個(gè)練習(xí)的完整說(shuō)明發(fā)布在針對(duì) ADALM2000 的[運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板]和針對(duì) Red Pitaya [STEMlab 的][運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程]（點(diǎn)擊鏈接中的箭頭查看詳細(xì)設(shè)置）鏈接中。所有電路板設(shè)計(jì)文件（KiCAD 格式）和 Gerber 文件均根據(jù)知識(shí)共享 BY-SA 許可條款發(fā)布；鏈接為相關(guān)練習(xí)頁(yè)面。

現(xiàn)在電路已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行，學(xué)生（或想復(fù)習(xí)一下的工程師）就可以在其他配置之間來(lái)回切換，探索遵守所有規(guī)則時(shí)的預(yù)期行為。同樣重要的是，也可探索違反這些規(guī)則時(shí)的限制，如輸出削波、輸入共模范圍、帶寬限制，以及使模擬電子技術(shù)如此有趣的無(wú)數(shù)其他微妙之處，而且不必?fù)?dān)心將原理圖轉(zhuǎn)換為面包板連接時(shí)的錯(cuò)誤、短路、開(kāi)路或連接松動(dòng)。以后無(wú)論是在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室還是在現(xiàn)實(shí)生活中，都會(huì)有很多這樣的機(jī)會(huì)。

審核編輯 黃宇