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作者:黃宗正(2001-04-03);推薦:徐業良(2001-04-04)

741運算放大器使用說明

物理量的感測在一般應用中,經常使用各類感測器將位移、角度、壓力、與流量等物理量轉換為電流或電壓訊號,之後再藉由量測此電壓電流訊號間接推算出物理量變化,藉以達成感測、控制的目的。但有時感測器所輸出的電壓電流訊號可能非常微小,以致訊號處理時難以察覺其間的變化,故需要以放大器進行訊號放大以順利測得電流電壓訊號,而放大器所能達成的工作不僅是放大訊號而已,尚能應用於緩衝隔離、準位轉換、阻抗匹配、以及將電壓轉換為電流或電流轉換為電壓等用途。現今放大器種類繁多,一般仍以運算放大器(Operational Amplifier, Op Amp)應用較為廣泛,本文即針對741運算放大器的使用加以說明。

1. 運算放大器簡介

放大器最初被開發的目的是運用於類比計算機之運算電路,其內部為複雜的積體電路(Integrated Circuit, IC),亦即在單一電子元件中整合了許多電晶體與二極體,圖1為一般放大器之內部等值電路。

1. 運算放大器內部等值電路

運算放大器屬於使用回授電路進行運算的高放大倍率型放大器,其放大倍率完全由外界元件所控制,透過外接電路或電阻的搭配,即可決定增益(即放大倍率)大小。圖2為運算放大器於電路中的表示符號,可看出其包含兩個輸入端,其中(+)端為非反相(Non-Inverting)端,而(-)端稱為反相(Inverting)端,運算放大器的作動與此二輸入端差值有關,此差值稱為「差動輸入」。通常放大器的理想增益為無窮大,實際使用時亦往往相當高(可放大至105106倍),故差動輸入跟增益後輸出比較起來幾乎等於零。

2. 差動運算放大器表示符號

2. 741運算放大器使用說明

2.1 作動方式與原理

741放大器為運算放大器中最常被使用的一種,擁有反相向與非反相兩輸入端,由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓訊號,經放大後由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源,其值由±12Vdc至±18Vdc不等,而一般使用±15Vdc的電壓。741運算放大器的外型與接腳配置分別如圖34所示。

3. 741運算放大器外型圖

4. 741放大器輸出入腳位圖

741運算放大器使用時需於74腳位供應一對同等大小的正負電源電壓+Vdc與-Vdc,一旦於23腳位即兩輸入端間有電壓差存在,壓差即會被放大於輸出端,唯Op放大器具有一特色,其輸出電壓值決不會大於正電源電壓+Vdc或小於負電源電壓-Vdc,輸入電壓差經放大後若大於外接電源電壓+Vdc至-Vdc之範圍,其值會等於+Vdc或-Vdc,故一般運算放大器輸出電壓均具有如圖5之特性曲線,輸出電壓於到達+Vdc和-Vdc後會呈現飽和現象。

5. 放大器輸出入電壓關係圖

741運算放大器之基本動作如圖6所示,若在非反相輸入端輸入電壓,會於輸出端得到被放大的同極性輸出;若以相同電壓訊號在反相輸入端輸入,則會在輸出端獲得放大相同倍率後但呈逆極性之訊號輸出。而當對放大器兩輸入端同時輸入電壓時,則是以非反相輸入端電壓值(V1)減去反相輸入端電壓值(V2),可於輸出端得到(V1V2)經過倍率放大後之輸出。

6. 放大器基本輸出入關係圖

2.2 電源供應

電源供應器本身具備兩組外接插孔以提供兩組電源輸出,如圖7所示,當需要以一正一負方式輸出電壓時,可利用電源供應器上Tracking鍵之功能。例如欲產生±15Vdc電壓,需先行將兩組電源輸出中其中一組之正端接上另一組之負端,剩下未接的兩個輸出端便為電源輸出端,之後將電源供應器電源打開並將儀表板上Tracking鍵按下,再由板面上調整旋鈕以調整出所需之±15Vdc電壓。於調整時已可發現,儘管只旋轉其中一組電源輸出調整旋鈕,但兩組電壓輸出值會同時改變且顯示數字相同,只是一端為正,一端為負,此時即可得到一端正值、一端負值,且同為15Vdc之輸出,其原理類似拿兩個電池頭尾相接串聯的情況。

7. 電源供應器產生±Vdc電壓輸出接線圖

然而若是欲將放大電路與感測元件整合於測試機台中時,便無法使用電源供應器提供運算放大器電源,此時需要自製±15Vdc電源電路。製作方法是利用橋式整流器與穩壓IC搭配適當規格之電容構成整流電路,將一般常用之110伏特電源轉為±15Vdc之電源,其電路圖如圖8所示,110伏特電源經橋式整流器後,利用三端穩壓IC78157915將電壓值調整至±15Vdc,其中7815為正電壓調整器用以穩定電壓至+15Vdc7915則進行負電壓調整。

8. 利用穩壓IC自製±Vdc電源電路圖

3. 運算放大器常用電路

實際使用運算放大器時,因各類感測器輸出電壓變化極大,放大後電壓很難正好落在放大器輸出電壓範圍內,且運算放大器輸入電源電壓有其限制之承受範圍限制,故需在電路上變化或補正。另外放大器放大倍率亦不一定正好為所需倍率,故需外接不同阻值電阻來解決。以下是一些簡單的放大器應用電路介紹及其電路圖。

3.1 緩衝電路

將輸出電壓的一部份引回輸入端之動作稱為回授,而其中將輸出電壓引回反相輸入端者稱為負回授,負回授會使得整個電路的放大倍數下降,但卻能因此得到正確的電路放大倍數,且可在輸入電阻很大時,使輸出電阻變小,並且使放大頻率頻寬增大。

9為放大倍數為1倍的緩衝電路,當a點電壓為V1時,Vo=V1

9. 緩衝電路

3.2 非反相放大電路

使用回授方式將輸出電壓引回反相輸出端形成負回授電路,其輸出訊號與輸入同相,可得到(1R1/R2)倍的輸出,其電路如圖10所示。圖中a點電位為V1,流過回授電阻R1的電流

                                                                                                            (1)

則可得

                                                                           (2)

 

10. 非反相放大電路

3.3 反相放大電路

反相放大電路之接法如圖11,同樣是使用負回授電路方式作動,只是此時訊號由反相端輸入,故會得到與輸入端反相之輸出,當輸入電壓V1增大時會使得輸出電壓Vo下降。此電路可以得到(R1/R2)倍的輸出,當a點電位為0V時,其輸出電流如式(1)V1/R2,則

                                                                                      (3)

 

11. 放大器應用電路3-反相放大電路

3.4 差動放大電路

12是能夠將兩個輸入電壓V1V2之間的電壓差值放大的電路,同樣是利用將輸出電壓引回反相輸入端的負回授電路,可以得到R1/R2倍的放大倍率。因為此電路之b點電位是由V2決定,所以a點與b點會有相同的輸入電壓,則

                                                                           (4)

通過回授電阻R1上的電流為

                                     (5)

故通過電阻R1所產生的壓降為

                                                            (6)

因為輸出電壓VoVR1Vb之和,故整理得輸出電壓為

               (7)

                                                                                     (8)

 

12. 差動放大電路

3.5 I/V變換電路

藉由I/V變換電路可得到隨輸入電流變化的輸出電壓,線路接法如圖13,其輸出電壓Vo= -IR

 

13. I/V變換電路

3.6. V/I變換電路

藉由V/I變換電路得到隨輸入電壓變化的輸出電流,線路接法如圖14,其輸出電流同式(1)V1/R2

 

14. V/I變換電路

參考文獻

“感測與轉換”,吳朗編著,全欣資訊圖書,813月。

“常用線性IC資料手冊”,孫宗瀛、黃金定編著,全華圖書,829月。

“電工實習(四)”,蔡朝洋編著,全華圖書0159922

“電子電路控制”,浩司編譯,建興出版社,8611月。