運算放大器實驗板

作者： Mark Thoren，ADI 公司系統(tǒng)工程師

典型基于實驗的《電子工程基礎(chǔ)》課一般是從最基礎(chǔ)的知識開始的：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。針對這些主題的實驗通常用到一個兩極對立的器件：福禍相依，愛恨交織；既是電子探索的無限樂園，也是電子工程專業(yè)學(xué)生的噩夢。這個神奇而又可怕的器件是什么呢？就是無焊面包板。

關(guān)于無焊面包板，我們在此不做過多贅述，只想說它們絕對有其用武之地，而且不會很快消失。對于了解電子元件的實際感覺、構(gòu)建最初的幾條電路（同時允許元件重復(fù)使用）以及在電子設(shè)備上實現(xiàn) "Hello, World!" 的效果，無焊面包板無疑是非常有用的。- 點亮 LED 燈（別忘了串聯(lián)電阻！）。但是，在最初的幾個只有 3、4、5 或 6 個元件的電路（如圖 1 所示的 2^ ^階低通濾波器 ^1^ ）之后，出現(xiàn)連接錯誤、短路、開路以及最糟糕的間歇性連接的概率會就會急劇上升。

圖 1.典型的“簡易”面包板電路。（圖片來源：[Analog Devices] ）

隨著電路復(fù)雜性和元件數(shù)量的增加，到某個決策點時，面包板變得不切實際 ^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、開源布局軟件，再加上低成本的電路板制造商，這一決策點的復(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，下載一個免費的布局設(shè)計軟件，設(shè)計一塊電路板，一周后就能郵寄到手，而且價格僅為區(qū)區(qū)幾美元。這對教育工作者和學(xué)生來說都是一個機遇，因此讓我們跳過任何思想實驗，舉一個真實的例子。

在分壓器、簡單 RC 濾波器、二極管和一兩個晶體管放大器等最基本的電路之后，學(xué)生經(jīng)常接觸到的下一個元件是運算放大器，或稱“運放”。運算放大器（純模擬）是一種用途極廣的元件。即使到了 2023 年，隨著人們開始關(guān)注人工智能 (AI)、計算機科學(xué)、數(shù)字這個、軟件那個，也總會有來自物理世界的小信號需要放大，弱信號需要增強，通常通過驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，然后信號就完全進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域了。反之亦然，來自數(shù)字世界的信號要轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過放大后傳遞到無線電發(fā)射器、揚聲器、耳塞或顯示器，最終給人類使用（絕對要是模擬信號）。

學(xué)生要制作的最初幾個運算放大器電路并不復(fù)雜，由運算放大器本身、電源旁路電容器（別忘了這些！）和一些決定功能的無源元件組成。實例包括：

• 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，考慮某個下午實驗課上的所有學(xué)生，那就會遇到挫折，最壞的情況是運算放大器冒出魔法煙霧 ^3^ 。

圖 2 中的電路設(shè)計用于測試、測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——例如，在反相增益和非反相增益之間來回切換，或者在微分器和積分器之間來回切換。

圖 2a.運算放大器實驗板 Kicad 原理圖。（圖片來源：Analog Devices）

圖 2b.用于仿真的運算放大器實驗板 LTspice 原理圖（圖片來源：Analog Devices）

圖 2c.運算放大器實驗電路板。（圖片來源：Analog Devices）

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

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

最后，讓我們打開電源開關(guān)，看看電路在現(xiàn)實世界中的表現(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式電源、信號發(fā)生器和示波器以及像 Red Pitaya 的 [STEMlab] 板這樣的其他多功能測試儀器配合使用。

我們將從 [ADALP2000] 零件套件中的 [OP97] 放大器開始，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（測量結(jié)果）所示，通過這種波形，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。（圖片來源：Analog Devices）

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

其他幾個練習(xí)的完整說明發(fā)布在針對 ADALM2000 的[運算放大器實驗板]和針對 Red Pitaya [STEMlab 的][運算放大器實驗實踐課程]（點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)計文件（KiCAD 格式）和 Gerber 文件均根據(jù)知識共享 BY-SA 許可條款發(fā)布；鏈接為相關(guān)練習(xí)頁面。

現(xiàn)在電路已經(jīng)啟動并運行，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回切換，探索遵守所有規(guī)則時的預(yù)期行為。同樣重要的是，也可探索違反這些規(guī)則時的限制，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)換為面包板連接時的錯誤、短路、開路或連接松動。以后無論是在大學(xué)實驗室還是在現(xiàn)實生活中，都會有很多這樣的機會。

審核編輯 黃宇