LM741/UA741運(yùn)算放大器使用說(shuō)明及應(yīng)用
物理量的感測(cè)在一般應(yīng)用中，經(jīng)常使用各類(lèi)傳感器將位移、角度、壓力、與流量等物理量轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)，之后再由量測(cè)此電壓電流信號(hào)間接推算出物理量變化，以達(dá)成感測(cè)、控制的目的。但有時(shí)傳感器所輸出的電壓電流信號(hào)可能非常微小，以致信號(hào)處理時(shí)難以察覺(jué)其間的變化，故需要以放大器進(jìn)行信號(hào)放大以順利測(cè)得電流電壓信號(hào)，而放大器所能達(dá)成的工作不僅是放大信號(hào)而已，尚能應(yīng)用于緩沖隔離、準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換、阻抗匹配、以及將電壓轉(zhuǎn)換為電流或電流轉(zhuǎn)換為電壓等用途?，F(xiàn)今放大器種類(lèi)繁多，一般仍以運(yùn)算放大器(Operational Amplifier, Op Amp)應(yīng)用較為廣泛，本文即針對(duì)741運(yùn)算放大器的使用加以說(shuō)明。
1. 運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介
ab126計(jì)算公式大全放大器最初被開(kāi)發(fā)的目的是運(yùn)用于類(lèi)比計(jì)算器之運(yùn)算電路，其內(nèi)部為復(fù)雜的集成電路(Integrated Circuit, IC)，亦即在單一電子組件中整合了許多晶體管與二極管，圖1為一般放大器之內(nèi)部等值電路。
1. 運(yùn)算放大器內(nèi)部等值電路圖
運(yùn)算放大器屬于使用反饋電路進(jìn)行運(yùn)算的高放大倍率型放大器，其放大倍率完全由外界組件所控制，透過(guò)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(yùn)算放大器于電路中的表示符號(hào)，可看出其包含兩個(gè)輸入端，其中（＋）端為非反相(Non-Inverting)端，而（－）端稱(chēng)為反相(Inverting)端，運(yùn)算放大器的作動(dòng)與此二輸入端差值有關(guān)，此差值稱(chēng)為「差動(dòng)輸入」。通常放大器的理想增益為無(wú)窮大，實(shí)際使用時(shí)亦往往相當(dāng)高（可放大至105或106倍），故差動(dòng)輸入跟增益后輸出比較起來(lái)幾乎等于零。
838電子圖2. 差動(dòng)運(yùn)算放大器表示符號(hào)
2. 741運(yùn)算放大器使用說(shuō)明
2.1 作動(dòng)方式與原理
新藝圖庫(kù)741放大器為運(yùn)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信號(hào)，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動(dòng)時(shí)的最大特點(diǎn)為需要一對(duì)同樣大小的正負(fù)電源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的電壓。741運(yùn)算放大器的外型與接腳配置分別如圖3、4所示。
圖3. 741運(yùn)算放大器外型圖
圖4. 741放大器輸出入腳位圖
741運(yùn)算放大器使用時(shí)需于7、4腳位供應(yīng)一對(duì)同等大小的正負(fù)電源電壓＋Vdc與－Vdc，一旦于2、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會(huì)被放大于輸出端，唯Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會(huì)大于正電源電壓＋Vdc或小于負(fù)電源電壓－Vdc，輸入電壓差經(jīng)放大后若大于外接電源電壓＋Vdc至－Vdc之范圍，其值會(huì)等于＋Vdc或－Vdc，故一般運(yùn)算放大器輸出電壓均具有如圖5之特性曲線，輸出電壓于到達(dá)＋Vdc和－Vdc后會(huì)呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。
圖5. 放大器輸出入電壓關(guān)系圖
741運(yùn)算放大器之基本動(dòng)作如圖6所示，若在非反相輸入端輸入電壓，會(huì)于輸出端得到被放大的同極性輸出；若以相同電壓信號(hào)在反相輸入端輸入，則會(huì)在輸出端獲得放大相同倍率后但呈逆極性之信號(hào)輸出。而當(dāng)對(duì)放大器兩輸入端同時(shí)輸入電壓時(shí)，則是以非反相輸入端電壓值(V1)減去反相輸入端電壓值(V2)，可于輸出端得到(V1－V2)經(jīng)過(guò)倍率放大后之輸出。
圖6. 放大器基本輸出入關(guān)系圖
電源供應(yīng)
電源供應(yīng)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(dāng)需要以一正一負(fù)方式輸出電壓時(shí)，可利用電源供應(yīng)器上Tracking鍵之功能。例如欲產(chǎn)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(fù)端，剩下未接的兩個(gè)輸出端便為電源輸出端，之后將電源供應(yīng)器電源打開(kāi)并將儀表板上Tracking鍵按下，再由板面上調(diào)整旋鈕以調(diào)整出所需之±15Vdc電壓。于調(diào)整時(shí)已可發(fā)現(xiàn)，盡管只旋轉(zhuǎn)其中一組電源輸出調(diào)整旋鈕，但兩組電壓輸出值會(huì)同時(shí)改變且顯示數(shù)字相同，只是一端為正，一端為負(fù)，此時(shí)即可得到一端正值、一端負(fù)值，且同為15Vdc之輸出，其原理類(lèi)似拿兩個(gè)電池頭尾相接串聯(lián)的情況。
圖7. 電源供應(yīng)器產(chǎn)生±Vdc電壓輸出接線圖
然而若是欲將放大電路與感測(cè)組件整合于測(cè)試機(jī)臺(tái)中時(shí)，便無(wú)法使用電源供應(yīng)器提供運(yùn)算放大器電源，此時(shí)需要自制±15Vdc電源電路。制作方法是利用橋式整流器與穩(wěn)壓IC搭配適當(dāng)規(guī)格之電容構(gòu)成整流電路，將一般常用之110伏特電源轉(zhuǎn)為±15Vdc之電源，其電路圖如圖8所示，110伏特電源經(jīng)橋式整流器后，利用三端穩(wěn)壓IC7815與7915將電壓值調(diào)整至±15Vdc，其中7815為正電壓調(diào)整器用以穩(wěn)定電壓至＋15Vdc，7915則進(jìn)行負(fù)電壓調(diào)整。
圖8. 利用穩(wěn)壓IC自制±Vdc電源電路圖
3. 運(yùn)算放大器常用電路
實(shí)際使用運(yùn)算放大器時(shí)，因各類(lèi)傳感器輸出電壓變化極大，放大后電壓很難正好落在放大器輸出電壓范圍內(nèi)，且運(yùn)算放大器輸入電源電壓有其限制之承受范圍限制，故需在電路上變化或補(bǔ)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(lái)解決。以下是一些簡(jiǎn)單的放大器應(yīng)用電路介紹及其電路圖。
3.1 緩沖電路
將輸出電壓的一部份引回輸入端之動(dòng)作稱(chēng)為反饋，而其中將輸出電壓引回反相輸入端者稱(chēng)為負(fù)反饋，負(fù)反饋會(huì)使得整個(gè)電路的放大倍數(shù)下降，但卻能因此得到正確的電路放大倍數(shù)，且可在輸入電阻很大時(shí)，使輸出電阻變小，并且使放大頻率頻寬增大。
圖9為放大倍數(shù)為1倍的緩沖電路，當(dāng)a點(diǎn)電壓為V1時(shí)，Vo=V1。
圖9. 緩沖電路
3.2 非反相放大電路
使用反饋方式將輸出電壓引回反相輸出端形成負(fù)反饋電路，其輸出信號(hào)與輸入同相，可得到(1＋R1/R2)倍的輸出，其電路如圖10所示。圖中a點(diǎn)電位為V1，流過(guò)反饋電阻R1的電流
則可得
圖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(fù)反饋電路方式作動(dòng)，只是此時(shí)信號(hào)由反相端輸入，故會(huì)得到與輸入端反相之輸出，當(dāng)輸入電壓V1增大時(shí)會(huì)使得輸出電壓Vo下降。此電路可以得到(R1/R2)倍的輸出，當(dāng)a點(diǎn)電位為0V時(shí)，其輸出電流如式(1)為V1/R2，則
圖11. 放大器應(yīng)用電路3－反相放大電路
3.4 差動(dòng)放大電路
圖12是能夠?qū)蓚€(gè)輸入電壓V1、V2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(fù)反饋電路，可以得到R1/R2倍的放大倍率。因?yàn)榇穗娐分産點(diǎn)電位是由V2決定，所以a點(diǎn)與b點(diǎn)會(huì)有相同的輸入電壓，則
通過(guò)反饋電阻R1上的電流為
故通過(guò)電阻R1所產(chǎn)生的壓降為
因?yàn)檩敵鲭妷篤o是VR1與Vb之和，故整理得輸出電壓為
圖12. 差動(dòng)放大電路
3.5 I/V變換電路
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。
圖13. I/V變換電路
3.6. V/I變換電路
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)為V1/R2。
圖14. V/I變換電路
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