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作者:黃凱(2002-04-28),推薦:徐業良(2002-05-03)

741運算放大器測試實驗

在一般量測、監測系統的設計上,訊號的擷取與處理佔了相當大的比重,其中訊號放大的工作尤其是重要,如何將擷取的訊號放大至所需的倍率又不會產生不良的雜訊,是非常重要的課題。本實驗以一般常用的741放大器作測試,比較在各種放大電路中,其輸出訊號之性能表現、雜訊狀況等特性,以及在相同放大倍率下使用不同電阻之訊號差異性,最後並實際針對輸出訊號內的雜訊作處理,還原出真實的訊號,期望在實驗中徹底了解741運算放大器的特性,作為提供製作放大電路時的參考依據。

1. 741放大器與放大電路簡介簡介

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。其腳位圖如下所示:

1. 741運算放大器腳位圖

一般而言,放大電路依其輸出電壓和輸入電壓之間的關係,可分為反相放大電路、非反相放大電路、及差動放大電路三種,其電路圖及增益條列如下:

(1)反相放大電路

2. 反向放大電路圖

        ,增益G=                                                             (1)

(2)非反相放大電路

3. 非反相放大電路圖

        ,增益=                                                           (2)

(3)差動放大電路

4. 差動放大電路

        ,增益=                                                         (3)

2. 實驗簡介

根據運算放大器的理想增益,當直流輸入電壓為零時,直流輸出應該會是零,然而在實際情況下,當輸入電壓為零時,輸出端仍然會有電壓,此電壓即稱作補償電壓。通常補償電壓與輸出訊號相較之下不大時是可以將其忽略的,例如當12V訊號具10mV補償電壓時,我們就可以不予考慮;反之,若當10mV訊號具10mV補償電壓時,補償電壓與輸出訊號大小相當,這時候我們就要注意是否會產生不良的影響,如果會的話那麼就要進行消除補償電壓的動作了。最後,當我們消除補償電壓,讓輸出位準為零時,此即為零電路(Null Circuit)

以下實驗規劃皆在零電路的狀態下進行測試,如圖5所示,產生零電路的作法是在741放大器的15接腳接上一10kΩ的可變電阻,並與V–連接,當23接腳的輸入電壓為零時,調整可變電阻使直流輸出電壓為零,此即完成零電路之要求。

5. 產生零電路的方法

本文規劃之實驗有以下三個項目:

(1)相同增益於不同電阻搭配方式下之測試

741放大器是透過外部的電阻搭配來調整放大的增益比,然而外部電阻值並非只要增益比相同即可任意給定。如果電阻太小,放大器與電源的負載變太大,這時可能會產生非線性操作,甚至出現更奇怪的狀況;反之,若使用過大的電阻,電阻的熱雜訊增加,這時偏壓電流造成的直流補償也會影響輸出。一般而言,741放大器外部電阻值合理使用範圍在1kΩ~100kΩ之間,大部分的應用則是在10kΩ~~100kΩ,本測試項目主要就是要瞭解相同增益的情形下,各種不同的電阻搭配組合究竟對訊號放大有何影響呢,希望能找出最佳的電阻使用範圍,以提供實際應用時,外部電阻的使用參考依據。

(2)放大電路測試比較

本測試項目目的在觀察反相放大電路、非反相放大電路及差動放大電路其實際放大輸出情形,探討理論輸出值與實際輸出值的差異,同時也比較三種放大電路輸出的雜訊狀況。

(3)整合濾波電路測試

通常我們在使用741來放大電壓時,其訊號輸出往往不是非常穩定,這類情形主要是外部雜訊干擾造成的。因此,如果我們想要有完美的訊號輸出,就需要濾波電路來消除雜訊以得到真實的訊號輸出了。

本測試項目希望整合放大與濾波電路進行測試,圖6是整合濾波電路的電路圖,在非反相放大電路的輸入端加入RC濾波電路(圖6方框部分),此一階低通濾波電路可將大於頻率的訊號消除,只留下低頻的訊號。整合後的電路放大增益與非反相放大電路增益還是一樣的(放大增益G=),並沒有因為加了RC電路而有所變化。當然,濾波電路不僅止於一階低通濾波電路一種,本文僅介紹一階低通濾波電路之測試實驗。

V1

 

6. 一階低通放大濾波電路圖

3. 實驗結果

(1)相同增益比於不同電阻搭配方式下之測試

本實驗於基本反相放大電路下,由訊號產生器給定0.504V方波電壓訊號,由示波器觀察放大後的輸出電壓訊號,紀錄其輸出訊號值如下:

1. 增益為2,不同電阻搭配實驗結果

電阻搭配

輸出電壓

 

R2=100Ω, R1=200Ω

*0.62V

 

R2=500Ω, R1=1kΩ

*0.86V

 

R2=1kΩ, R1=2kΩ

*0.94V

 

R2=5kΩ, R1=10kΩ

*0.94V

 

R2=10kΩ, R1=20kΩ

*1.00V

 

R2=100kΩ, R1=200kΩ

*1.02V

 

R2=500kΩ, R1=1MΩ

*1.04V

訊號有些微不穩定

2. 增益為5,不同電阻搭配實驗結果

電阻搭配

輸出電壓

 

R2=10Ω, R1=50Ω

*0.52V

 

R2=100Ω, R1=500Ω

*1.64V

 

R2=1kΩ, R1=5kΩ

*2.36V

 

R2=10kΩ, R1=50kΩ

*2.44V

 

R2=100kΩ, R1=500kΩ

*2.52V

 

R2=1MΩ, R1=5MΩ

*2.76V

訊號非常不穩定,此為概略值

3. 增益為10,不同電阻搭配實驗結果

電阻搭配

輸出電壓

 

R2=10Ω, R1=100Ω

*0.90V

 

R2=100Ω, R1=1kΩ

*3.24V

 

R2=1kΩ, R1=10kΩ

*4.88V

 

R2=10kΩ, R1=100kΩ

*5.20V

 

R2=100kΩ, R1=1MΩ

*5.04V

 

R2=1MΩ, R1=10MΩ

*5.44V

訊號非常不穩定,此為概略值

由實驗結果我們得到以下兩點經驗:

(1)     只要外部電阻在適用範圍內(一般適用範圍約在1kΩ~100kΩ間),741都能夠發揮出不錯的效果,其中又以10kΩ~100kΩ間最佳。

(2)     由實驗觀察得知,如果使用小於適用電阻範圍的外部電阻來做電壓放大,通常放大倍率會小於理論增益比;如果使用大於適用電阻範圍的外部電阻來做電壓放大,將造成較大輸出電壓雜訊。

(2)放大電路測試比較

由上述所做的實驗結果得知,741放大器的外部電阻範圍在10kΩ~100kΩ內都有不錯的效果,接下來我們將在此電阻範圍內做相同的增益比下,三種基本放大電路輸出訊號的差異比較。本測試項目由訊號產生器產生0.504V方波訊號,外部電阻(R2)固定在10kΩ,在增益為2510情況下紀錄反相放大電路、非反相放大電路及差動放大電路之輸出訊號值,同時並觀察其訊號之穩定度,結果如表4所示。

4. 放大電路測試比較結果

增益(G)  

放大電路種類

G=2

G=5

G=10

反相放大電路

R1=20kΩ

R1=50kΩ

R1=100kΩ

*1.02V

*2.52V

*5.04V

非反相放大電路

R1=10kΩ

R1=40kΩ

R1=20kΩ

*0.98V

*2.48V

*4.88V

差動放大電路

R1=20kΩ

R1=50kΩ

R1=100kΩ

*0.96V

*2.44V

*4.88V

從上表所示,在相同增益比下,三種放大電路的輸出訊號是有些微差異的,其中又以外部電阻較多的差動放大電路,它的增益效果明顯略小於理論增益。但是大致而言,三種放大電路的放大效果都還不錯,由示波器的觀察結果,訊號都沒有明顯的雜訊產生。

(3)整合濾波電路測試

本實驗主要針對放大訊號的雜訊作處理,透過放大濾波電路將不要的雜訊消除,留下放大號的訊號。本測試項目中首先我們選定乾電池輸出電壓作為我們要放大的訊號(如圖6(a)所示,輸出約1.32V),接下來我們透過訊號產生器產生一*0.44V,頻率約50Hz之方波訊號(圖6(b))作為雜訊,並與電池訊號結合(圖6(c))。如果訊號倍放大2倍,雜訊也會跟著放大2倍(圖6(d)),加入一階低通濾波電路後,將頻率較大的雜訊給消除,留下我們所要的電池放大訊號(圖6(e))。

     

(a)                                                            (b)

     

(c)                                                            (d)

(e)

6. 整合濾波電路測試過程

參考文獻

運算放大器電路,蔡國猷編著,建興出版社,民791月。

運算放大器電路設計指南David F. Stout, Milton Kaufman原著,莊政義翻譯,東華書局,民80114版。

運算放大器原理與應用,張文恭、江昭皚譯,儒林圖書有限公司,民903月。

機械控制用感測器技術入門,洪榮哲編譯,機械技術出版社,民7710月。