运算放大器实验板

作者： Mark Thoren，ADI 公司系统工程师

典型基于实验的《电子工程基础》课一般是从最基础的知识开始的：先讲授电阻器、电容器、电感器、二极管，以及如何使用基尔霍夫定律分析基本电路。针对这些主题的实验通常用到一个两极对立的器件：福祸相依，爱恨交织；既是电子探索的无限乐园，也是电子工程专业学生的噩梦。这个神奇而又可怕的器件是什么呢？就是无焊面包板。

关于无焊面包板，我们在此不做过多赘述，只想说它们绝对有其用武之地，而且不会很快消失。对于了解电子元件的实际感觉、构建最初的几条电路（同时允许元件重复使用）以及在电子设备上实现 "Hello, World!" 的效果，无焊面包板无疑是非常有用的。- 点亮 LED 灯（别忘了串联电阻！）。但是，在最初的几个只有 3、4、5 或 6 个元件的电路（如图 1 所示的 2^ ^阶低通滤波器 ^1^ ）之后，出现连接错误、短路、开路以及最糟糕的间歇性连接的概率会就会急剧上升。

图 1.典型的“简易”面包板电路。（图片来源：[Analog Devices] ）

随着电路复杂性和元件数量的增加，到某个决策点时，面包板变得不切实际 ^2^ ，生产电路板在技术上变得必不可少，且在经济上也变得可行。得益于丰富多样的低成本、免费、开源布局软件，再加上低成本的电路板制造商，这一决策点的复杂程度已经变得相当低。现在，只需观看几段教学视频，下载一个免费的布局设计软件，设计一块电路板，一周后就能邮寄到手，而且价格仅为区区几美元。这对教育工作者和学生来说都是一个机遇，因此让我们跳过任何思想实验，举一个真实的例子。

在分压器、简单 RC 滤波器、二极管和一两个晶体管放大器等最基本的电路之后，学生经常接触到的下一个元件是运算放大器，或称“运放”。运算放大器（纯模拟）是一种用途极广的元件。即使到了 2023 年，随着人们开始关注人工智能 (AI)、计算机科学、数字这个、软件那个，也总会有来自物理世界的小信号需要放大，弱信号需要增强，通常通过驱动模数转换器 (ADC)，然后信号就完全进入数字领域了。反之亦然，来自数字世界的信号要转换为模拟信号，经过放大后传递到无线电发射器、扬声器、耳塞或显示器，最终给人类使用（绝对要是模拟信号）。

学生要制作的最初几个运算放大器电路并不复杂，由运算放大器本身、电源旁路电容器（别忘了这些！）和一些决定功能的无源元件组成。实例包括：

• 电压跟随器/统一增益缓冲器
• 增益为 -1 （模拟反相器）
• 增益为 +2
• 其他反相和非反相增益
• 差分放大器
• 积分器（和低通滤波器）
• 微分器（和高通滤波器）

这些电路中的任何一个都可以在面包板上搭建，而且成功的概率很高。但如果考虑所有电路，考虑某个下午实验课上的所有学生，那就会遇到挫折，最坏的情况是运算放大器冒出魔法烟雾 ^3^ 。

图 2 中的电路设计用于测试、测量和探索所有这些配置，成功率为 100%，总成本仅为几美元。此外，配置是通过跳线选择的，学生可以轻松地在不同功能之间切换，从而更快地建立直觉——例如，在反相增益和非反相增益之间来回切换，或者在微分器和积分器之间来回切换。

图 2a.运算放大器实验板 Kicad 原理图。（图片来源：Analog Devices）

图 2b.用于仿真的运算放大器实验板 LTspice 原理图（图片来源：Analog Devices）

图 2c.运算放大器实验电路板。（图片来源：Analog Devices）

该电路板可容纳多种运算放大器类型，并可通过在电路板上安装插座来更换单个器件。单运放和双运放均具有标准的 8 引脚布局。单运放的额外引脚具有多种功能，最常见的是通过电位计进行偏移调整，电位计的刮片与其中一个电源轨相连；该功能完全支持。中央 SIP 插座可容纳 Analog Devices 提供的[主动学习练习]中所述的分立晶体管运算放大器。

在进入工作台之前，最好先在纸上完成电路设计，根据所选元件计算出预期行为。在输入所有元件值后，我们将提供 LTspice 仿真，为预测电路行为提供另一种方法，包括瞬态（时域）和交流（频域）响应 ^4^ 。

最后，让我们打开电源开关，看看电路在现实世界中的表现。在这里，我们将使用 Analog Device 的 [ADALM2000]，但该电路板可与几乎所有的双极台式电源、信号发生器和示波器以及像 Red Pitaya 的 [STEMlab] 板这样的其他多功能测试仪器配合使用。

我们将从 [ADALP2000] 零件套件中的 [OP97] 放大器开始，其供电范围非常宽，从 ±2.25 V 到 ±20 V，而 ADALM2000 的电源输出也相应设置为 ±5 V。我们将在电路板上配置一个更有趣的电路，即差分放大器，并在非反相输入端施加 1 kHz、1 Vp-p 正弦波，在反相输入端施加 100 Hz、1 V 锯齿波。如图 3a（LTspice 仿真）和图 3b（测量结果）所示，通过这种波形，我们可以清楚地观察到反相输入端的极性反转。通道 1（橙色）是运算放大器的输出，通道 2 是电路的反相输入。

图 3a.差分放大器 LTspice 仿真。（图片来源：Analog Devices）

图 3b.差分放大器测量结果。（图片来源：Analog Devices）

其他几个练习的完整说明发布在针对 ADALM2000 的[运算放大器实验板]和针对 Red Pitaya [STEMlab 的][运算放大器实验实践课程]（点击链接中的箭头查看详细设置）链接中。所有电路板设计文件（KiCAD 格式）和 Gerber 文件均根据知识共享 BY-SA 许可条款发布；链接为相关练习页面。

现在电路已经启动并运行，学生（或想复习一下的工程师）就可以在其他配置之间来回切换，探索遵守所有规则时的预期行为。同样重要的是，也可探索违反这些规则时的限制，如输出削波、输入共模范围、带宽限制，以及使模拟电子技术如此有趣的无数其他微妙之处，而且不必担心将原理图转换为面包板连接时的错误、短路、开路或连接松动。以后无论是在大学实验室还是在现实生活中，都会有很多这样的机会。

审核编辑 黄宇