运算放大器特性

86
▍第 10 章
運算放大器 ▍
圖 10-11
檢視驗證： 1. 本電路電壓增益理論上為： Av = 1 + R2 = R1 11 。 22 V，根據電壓增益的
2. 輸入波形(CH-1) Vi = 2V p − p 、輸出波形(CH-2) Vi ( p − p ) = 定義： AV = Vo = Vi 11 。
實習步驟
1. 2. 3. 4. 5. 6. 找 R1 =100kΩ及 R2 =10kΩ色碼電阻各一個，以電表測量其實際電阻值 R1 = kΩ、R2 = 100 kΩ。 依圖 10-2 將各元件組裝在麵包板上。 將實習 10-2-1 之 Vo 連接至圖 10-2 之同相輸入端 ， 並調整實習 10-2-1 之可變電阻 ， 使 Vo =+1V。 測量運算放大器同相輸入端之電壓：V+ = 測量運算放大器反相輸入端之電壓：V- = 測量電阻 R1 之端電壓：VR1= 1.01 V。
第
10
品名
章
運算放大器
實習 10-1 設備需求
運算放大器特性
規格 DC0～30V，1～3A 指針型或數字型
數量 1 1
備註
電源供應器 三用電表
材料需求
品名 電阻板 積體電路 可變電阻 規格 73×3 個/0.25W µA 741 10kΩ 數量 1 2 1 或同級品 備註
10
圖 10-2 運算放大器特性測量
本電路之電壓增益為： 圖 10-10 同相放大
11
實習步驟
1. 2. 3. 4. 5. 依圖 10-10 將各元件組裝在麵包板上。 將訊號產生器紅色端連接至圖 10-10 之輸入端 Vi，黑色端接地，並調整訊號產生 器之頻率為 500Hz、波形為正弦波。 示波器 CH-1 定在 0.5V/DIV、微調轉至 cal，並將測試棒連接至圖 10-10 之輸入端 Vi，黑色鱷魚夾接地。 示波器 CH-2 定在 5V/DIV、微調轉至 cal，並將測試棒連接至圖 10-10 之輸出端 Vo，黑色鱷魚夾接地。 調整訊號產生器之振幅強度旋鈕，直到示波器上 CH-1 之波形顯示 2 VP-P V p − p 之正 弦波為止(波峰至波谷上下共四格)，調整示波器之 ↔ 、 7 旋鈕使 CH-1 波形如圖 10-11 所示。 6. 示波器 CH-2 耦合開關定在 GND，調整示波器 CH-2 之『 7 』旋鈕，讓 CH-2 之 基準線定在下面方格粗虛線處後，CH-2 耦合開關轉回 AC，將 CH2 波形繪於下 面方格內。
Vo 之穩態值為多少？
(B) 3sin 377tV
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▍第 10 章
運算放大器 ▍
(A)
4. 理想運算放大器電路，如下圖所示，其中 Vi=0.2V，請問下列電流、電壓值 何者錯誤？ (A)Vo=2V (B) Va=0.4V (C) I2=0.2mA (D) I1 = −0.04 mA。
(B)
5. 電壓隨耦器之電路如下左圖所示，有關其特性敘述，下列何者正確？ (A)電壓增益為－ 1 非常大。 (B)電壓增益為 1 (C)輸入電阻非常小 (D)輸出電阻
83
▍電子學實習 II —
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註：1. 為了避免測量 Vi 時，電表內阻之負載效應可能造成誤差，可變電阻可用 5kΩ 或 10kΩ。 2. 以下數個實習仍繼續延用本電路，但可變電阻可改用較大數值，如 50kΩ、 100kΩ、500kΩ…。
實習 10-2-2 設備需求
品名 電源供應器 三用電表
3. 輸入波形與輸出波形相位是否相同？ 7.
是
否□
示波器 CH-1 定在 2V/DIV，調整訊號產生器之振幅強度旋鈕，直到示波器上 CH-1 之波形顯示 4 V p − p 之正弦波為止(波峰至波谷上下共二格，為了減少誤差可定在 1V/DIV，調整至四格後，再轉回 2V/DIV)，調整示波器之 ↔ 、 7 旋鈕使 CH-1 波 形如圖 10-12 所示。
10
實習 10-3-1 設備需求
品名 電源供應器 三用電表
直流反相放大
規格 DC0～30V，1～3A 指針型或數字型
數量 1 1
備註
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材料需求
品名 電阻板 積體電路 可變電阻 規格 73×3 個/0.25W µA741 10kΩ 數量 1 2 1 或同級品 備註
數量 1 1
備註
材料需求
品名 電阻板 積體電路 可變電阻
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規格 73×3 個/0.25W µA 741 10kΩ
數量 1 1 1
備註 或同級品
▍第 10 章
運算放大器 ▍
本電路ห้องสมุดไป่ตู้電壓增益為： 圖 10-6 電壓隨耦器
以您學得的理論，依各輸入值判斷圖 10-6 之理論 Vo 填並入下表中。 輸入 Vi 理論 Vo +1V +1V －1V －1V +2V +2V －2V －2V +15V +15V －15V －15V
kΩ可能可以如 V V， Av = o = Vi 100 是 否□
實習 10-3-2 設備需求
品名 電源供應器 示波器 訊號產生器 三用電表
交流反相放大
規格 DC0～30V，1～3A 20MHz 0.2Hz～5MHz 指針型或數字型
數量 1 1 1 1
備註
材料需求
品名 電阻板 積體電路 規格 73×3 個/0.25W µA741 數量 1 1 或同級品 備註
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10
1.013 1.013
V。 V。
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7. 8. 9.
測量電阻 R2=之端電壓：VR2= VR1 R1( 實測值 ) VR 2 R2( 實測值 ) 0.1004 1.01V = 10kΩ 10.04V = 100kΩ
10.04
V。 0 V。
計算運算放大器兩輸入端之電位差： Vd = V+ − V− = 計算 I1 = = 0.101 mA。 mA。
實習步驟
1. 2. 依圖 10-6 將各元件組裝在麵包板上，µA741 積體電路元件的詳細接腳圖請參見附 錄。 調可變電阻使 Vi 端，分別為下表中所列之值，並將各輸入值所測得的 Vo 填入下 表中。 3. 當上表中之理論 Vo 與下表中實際測量之 Vo 誤差大於±10%時，找出原因：是輸入 電壓值不正確？或電阻值不對？或者是您的想法錯了？ 輸入 Vi 理論 Vo 4. +1V 0.98V －1V －0.98V +2V 1.98V －2V －1.98V V(正飽和)；輸入－15V 時，輸出
10
輸入＋15V 時，輸出正電壓最大值為： 14.2
負電壓最大值為： －13 V(負飽和)。這就是您的 IC 內部壓降，造成正、負飽 和無法達到 ±Vcc (= ±15V) 之值。 檢視驗證： 1. 本電路電壓增益理論上為： Av = Vo = Vi 1 。
2. 電壓表測量時，其內阻造成的負載效應，是否造成理論 Vo 與實際測量 Vo 有些微 誤差？ 3. 本電壓隨耦器電路有何功用？ 避免負載效應 是 否□
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▍第 10 章
運算放大器 ▍
實習步驟
1. 2. 依圖 10-8 將各元件組裝在麵包板上。 將實習 10-2-1 之 Vo 連接至圖 10-8 之輸入端 Vi，並調整實習 10-2-1 之可變電阻， 使 Vi 分別為下表中所列之值，並將各輸入值所測得的 Vo 填入下表中。 3. 當上表中之理論 Vo 與下表中實際測量 Vo 之誤差大於±10%時，找出原因：是輸入 電壓值不正確？或電阻值不對？或者是您的想法錯了？ 輸入 Vi 理論 Vo 檢視驗證： 1. 電路電壓增益理論上為： Av = 1 + R2 = R1 5.7 。 +1V ＋5.7V －1V －5.7V +2V +11.4V －2V －11.4V
－0.0006
3. 『運算放大器兩輸入端幾乎同電位』 ，是根據運算放大器那一個特性？ 開迴路電壓增益無限大 輸入阻抗無限大 。 。 4. 『運算放大器兩輸入端幾乎無電流』 ，是根據運算放大器那一個特性？
實習 10-2-1 設備需求
品名 電源供應器 三用電表
電壓隨耦器
規格 DC0～30V，1～3A 指針型或數字型
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實習 10-2-3 設備需求
品名 電源供應器 示波器 訊號產生器 三用電表
交流同相放大
規格 20MHz 0.02Hz～5MHz DC0～30V，1～3A 指針型或數字型
數量 1 1 1 1
備註
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材料需求
品名 電阻板 積體電路 規格 73×3 個/0.25W µA741 數量 1 1 或同級品 備註
歷屆試題
(C) 1. 如下左圖所示電路， VS = 1V ，則輸出電壓 Vo 為多少？ (B)－6V (C)6V (D)12V。 (A)－12
(C) (C)
2. 上右圖中的運算放大器假設具有理想特性，當 Vi = 1V 輸入時，求輸出電壓 為多少？ (A)－2V (B)－1V (A)3V (C)1V (D)2V。 (C) −3 V (D) −3sin 377tV 。 3. 如下圖所示之電路，運算放大器的飽和電壓為 ±12V ，若 Vi = 3sin 377tV ，則
電路之電壓增益為： 圖 10-14 反相放大
將所學得的理論，依各輸入值判斷圖 10-14 之理論 Vo 並填入下表中。 輸入 Vi 理論 Vo +1V －4.7V －1V +4.7V +2V －9.4V －2V +9.4V
實習步驟
1. 2. 3. 依圖 10-8 將各元件組裝在麵包板上。 將實習 10-2-1 之連接至圖 10-14 之輸入端 Vi，並調整實習 10-2-1 之可變電阻，使 Vi 分別為下表中所列之值，並將各輸入值所測得的 Vo 填入下表中。 當上表中之理論 Vo 與下表中實際測量之 Vo 誤差大於±10%時，找出原因：是輸 入電壓值不正確？或電阻值不對？或者是您的想法錯了？ 輸入 Vi 理論 Vo 檢視驗證： 1. 電路電壓增益理論上為： Av = − R2 = R1 －4.7 。 +1V －4.69V －1V +4.69V +2V －9.39V －2V +9.43V
2. 色碼電阻的誤差(金色 ±5% 、銀色 ±10% 、無色 ±20% )，是否造成理論 Vo 與實際 測量 Vo 有些微誤差？是 否□ k Ω 可能可以如願， V V， Av = o = 11.1 ，真的 Vi 10 3. 如果期望本電路之電壓增益為+11，圖 10-14 之 R2 = 換上去試試看。輸入 Vi = 1V 時，測量 Vo = 如預期的 Av = +11 ？是 否□ 11.1
2. 色碼電阻的誤差(金色±5%、銀色±10%、無色±20%)，是否造成理論 Vo 與實 際測量 Vo 有些微誤差？
90
是
否□
▍第 10 章
運算放大器 ▍
3. 如果您期望本電路之電壓增益為－10，圖 10-14 之 R2 = 願，換上去試試看。輸入 Vi = 1V 時，測量 Vo = －10.09 ，真的如預期的 Av = −10 ？ －10.09
10
電路之電壓增益為： 圖 10-16
10
8.
示波器 CH-2 耦合開關定在 GND，調整示波器 CH-2 之『 7 』旋鈕，讓 CH-2 之 基準線定在下面方格粗虛 1 線處後，CH-2 耦合開關轉回 AC，將 CH2 波形繪於 下面方格內。
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圖 10-12
檢視驗證： 4. 輸入 Vi = 4V p − p 時，波形被截波了，原因是否出在運算放大器已經飽和了？ 是 否□
直流同相放大
規格 DC0～30V，1～3A 指針型或數字型
數量 1 1
備註
材料需求
品名 電阻板 積體電路 可變電阻 規格 73×3 個/0.25W µA741 10kΩ 數量 1 2 1 或同級品 備註
本電路之電壓增益為： 圖 10-8 同相放大
5.7
以學得的理論，依各輸入值判斷圖 10-8 之理論 Vo 並填入下表中。 輸入 Vi 理論 Vo +1V ＋5.7V －1V －5.7V +2V +11.4V －2V －11.4V
10. 計算 I 2 =
=
0.1004
11. 計算運算放大器輸入端之電流：
I i = I 2 − I1 =
檢視驗證：
mA－
0.101
mA =
－0.0006
mA。
1. 運算放大器兩輸入端之電位差 電位』的說法嗎？ 2. 運算放大器輸入端之電流 Ii= 端幾乎無電流』的說法嗎？
0
V，可以證實： 『運算放大器兩輸入端幾乎同 可以 不可以□ 不可以□ mA，可以證實： 『運算放大器兩輸入 可以