學(xué)會(huì)如何調(diào)試電路問(wèn)題是學(xué)習(xí)過(guò)程中非常重要的一部分。為你診斷錯(cuò)誤不是助教的責(zé)任，如果你以這種方式依賴其他人，那么你就錯(cuò)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，你將不大可能在以后的課程中取得成功。除非你的運(yùn)算放大器冒煙，電阻上出現(xiàn)了棕色燒傷痕跡，或者電容發(fā)生爆炸，否則你的元器件很可能沒(méi)問(wèn)題。
必須為運(yùn)算放大器始終提供直流電源，因此在添加任何其他電路元件之前，最好配置這些連接。圖1顯示了無(wú)焊試驗(yàn)板上的一種可能的電源配置。我們將兩根長(zhǎng)軌用于正電源電壓和地，另一根用于可能需要的2.5 V中間電源連接。板上包括電源去耦電容，其連接在電源和地(GND)軌之間。現(xiàn)在詳細(xì)討論這些電容的用途還為時(shí)過(guò)早，只需知道它們用于降低電源線上的噪聲并避免寄生振蕩。在模擬電路設(shè)計(jì)中，務(wù)必在電路中每個(gè)運(yùn)算放大器的電源引腳附近使用小型旁路電容，這被認(rèn)為是良好實(shí)踐。
圖1.電源連接
將運(yùn)算放大器插入試驗(yàn)板，然后添加導(dǎo)線和電容，如圖1所示。為避免以后出現(xiàn)問(wèn)題，可能需要在試驗(yàn)板上貼一個(gè)小標(biāo)簽，指示哪些電源軌對(duì)應(yīng)5 V、2.5 V和地。導(dǎo)線應(yīng)利用顏色加以區(qū)分：紅色為5 V，黑色為2.5 V，綠色為GND。這有助于保持連接的有序性。
接下來(lái)，在ADALM1000板和試驗(yàn)板上的端子之間建立5 V電源和GND連接。使用跳線為電源軌供電。注意，電源GND端子將是電路接地基準(zhǔn)。有了電源連接之后，可能需要使用DMM直接探測(cè)IC引腳，確保引腳7為5 V且引腳4為0 V(地)。
注意，使用電壓表測(cè)量電壓之前，必須將ADALM1000插入U(xiǎn)SB端口。
單位增益放大器(電壓跟隨器)：
第一個(gè)運(yùn)算放大器電路很簡(jiǎn)單(如圖2所示)。這稱為單位增益緩沖器，有時(shí)也稱為電壓跟隨器，它由轉(zhuǎn)換函數(shù)VOUT = VIN定義。乍一看，它似乎是一個(gè)無(wú)用的器件，但正如我們稍后將展示的那樣，其有用之處在于高輸入電阻和低輸出電阻。
圖2.單位增益跟隨器
使用試驗(yàn)板和ADALM1000電源，構(gòu)建圖2所示的電路。請(qǐng)注意，此處未明確顯示電源連接。任何實(shí)際電路中都會(huì)進(jìn)行這些連接(如上一步中所做的那樣)，因此從這里開(kāi)始，原理圖中沒(méi)必要顯示它們。使用跳線將輸入和輸出連接到波形發(fā)生器輸出CA-V和示波器輸入CB-H。
通道A電壓發(fā)生器設(shè)置為1.0 V最小值和4.0 V最大值(3 V p-p，以2.5 V為中心)，使用500 Hz正弦波。配置示波器，使輸入信號(hào)跡線顯示為CA-V，輸出信號(hào)跡線顯示為CB-V。導(dǎo)出所產(chǎn)生的兩個(gè)波形圖，并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，注意波形參數(shù)(峰值和頻率的基波時(shí)間周期)。你的波形應(yīng)當(dāng)確認(rèn)其為單位增益或電壓跟隨器電路的說(shuō)明。
緩沖示例：
運(yùn)算放大器的高輸入電阻(零輸入電流)意味著發(fā)生器上的負(fù)載非常小;也就是說(shuō)，沒(méi)有從源電路汲取電流，因此任何內(nèi)部電阻(戴維寧等效值)上都沒(méi)有電壓降。所以，在這種配置中，運(yùn)算放大器的作用類似于緩沖器，屏蔽信號(hào)源免受系統(tǒng)其他部分帶來(lái)的負(fù)載效應(yīng)。從負(fù)載電路的角度看，緩沖器將非理想電壓源轉(zhuǎn)換成近乎理想的電壓源。圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，我們可以用它來(lái)演示單位增益緩沖器的這個(gè)特性。這里，緩沖器插在分壓器電路和某一負(fù)載電阻(10 kΩ電阻)之間。
圖3.緩沖器示例
斷開(kāi)電源并將電阻添加到電路中，如圖3所示(注意這里沒(méi)有更改運(yùn)算放大器連接，我們只是相對(duì)于圖2翻轉(zhuǎn)了運(yùn)算放大器符號(hào)以更好地安排導(dǎo)線)。
重新連接電源，并將波形發(fā)生器設(shè)置為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為中心)。同時(shí)觀察VIN CA-V和VOUT CB-H，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄幅度。使用示波器輸入CB-H還能測(cè)量運(yùn)算放大器引腳3上的信號(hào)幅度。
圖形實(shí)例如圖4所示。
圖4.緩沖器曲線
移除10 kΩ負(fù)載，代之以1 kΩ電阻。記錄幅度?，F(xiàn)在移動(dòng)引腳3和2.5 V之間的1 kΩ負(fù)載，使其與4.7 kΩ電阻并聯(lián)。記錄輸出幅度如何變化。你能預(yù)測(cè)新的輸出幅度嗎?
簡(jiǎn)單放大器配置
反相放大器：
圖5所示為常規(guī)反相放大器配置，輸出端有10 kΩ負(fù)載電阻。
圖5.反相放大器配置
現(xiàn)在使用R2 = 4.7kΩ組裝圖5所示的反相放大器電路。組裝新電路之前，請(qǐng)記住斷開(kāi)電源。根據(jù)需要切割和彎曲電阻引線，使其平放在電路板表面，并為每個(gè)連接使用最短的跳線(如圖1所示)。記住，試驗(yàn)板有很大的靈活性。例如，電阻R2的引線不一定要將運(yùn)算放大器從引腳2橋接到引腳6;你可以使用中間節(jié)點(diǎn)和跳線來(lái)繞過(guò)該器件。
重新連接電源并觀察電流消耗，確保沒(méi)有意外短路?，F(xiàn)在將波形發(fā)生器調(diào)整為500 Hz正弦波，設(shè)置為2.1 V最小值和2.9 V最大值(0.8 V p-p，以2.5 V為中心)，并再次在示波器上顯示輸入和輸出。測(cè)量和記錄此電路的電壓增益，并與課堂上討論的原理進(jìn)行比較。導(dǎo)出輸入/輸出波形圖，并將其包含在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。
圖形實(shí)例如圖6所示。
圖6.反相放大器曲線
趁此機(jī)會(huì)說(shuō)一下電路調(diào)試。在課堂中的某個(gè)時(shí)候，你可能無(wú)法讓電路工作。這并不意外，沒(méi)有人是完美的。但是，你不應(yīng)簡(jiǎn)單地認(rèn)為電路不工作必定意味著器件或?qū)嶒?yàn)儀器有故障。這基本上不是事實(shí)，99%的電路問(wèn)題都是簡(jiǎn)單的接線或電源錯(cuò)誤。即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師也會(huì)不時(shí)出錯(cuò)，因此，學(xué)會(huì)如何調(diào)試電路問(wèn)題是學(xué)習(xí)過(guò)程中非常重要的一部分。為你診斷錯(cuò)誤不是助教的責(zé)任，如果你以這種方式依賴其他人，那么你就錯(cuò)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，你將不大可能在以后的課程中取得成功。除非你的運(yùn)算放大器冒煙，電阻上出現(xiàn)了棕色燒傷痕跡，或者電容發(fā)生爆炸，否則你的元器件很可能沒(méi)問(wèn)題。事實(shí)上，大多數(shù)器件在發(fā)生重大損傷之前都能容忍一定程度的濫用。當(dāng)事情不妙時(shí)，最好的辦法就是斷開(kāi)電源并尋找一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋，而不要急著責(zé)怪器件或設(shè)備。在這方面，DMM可是一件十分有價(jià)值的調(diào)試工具。
輸出飽和：
現(xiàn)在將圖5中的反饋電阻R2從4.7 kΩ更改為10 kΩ。現(xiàn)在的增益是多少?將輸入信號(hào)的幅度緩慢增加至2 V，仍然以2.5 V為中心，并將波形導(dǎo)出到實(shí)驗(yàn)室筆記本電腦中。任何運(yùn)算放大器的輸出電壓最終都會(huì)受電源電壓的限制，而在很多情況下，由于電路中存在內(nèi)部電壓降，實(shí)際限制要遠(yuǎn)小于電源電壓。根據(jù)你的以上測(cè)量結(jié)果量化AD8541的內(nèi)部壓降。如果你有時(shí)間，可嘗試用OP97或OP27放大器替換AD8541，并比較它能產(chǎn)生的最小和最大輸出電壓。