运算放大器实验板

来源：DigiKey
作者： Mark Thoren, Systems Engineer Analog Devices, Inc.

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（零件清单在此）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。

脚注：

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - 显然这位工程师没有收到这份备忘录：https://eater.net/8bit/

3 - 参见：https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 - 作者对于是先进行手工计算、仿真还是先进行台架测试更好没有任何意见。无论如何，现实世界中的大多数开发和调试都是在这三者之间以不同顺序反复进行的。