第17节 简单的运算放大器 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 两节 6 伏电池
- 四个 NPN 晶体管——推荐型号 2N2222 或 2N3403（Radio Shack 目录 #276-1617 是一个包含 15 个 NPN 晶体管的封装，非常适合本实验和其他实验）
- 两个 PNP 晶体管——推荐型号 2N2907 或 2N3906（Radio Shack 目录 # 276-1604 是一个包含 15 个 PNP 晶体管的封装，非常适合本实验和其他实验）
- 两个 10 kΩ 电位器，单圈，线性锥形（Radio Shack 目录 # 271-1715）
- 一个 270 kΩ 电阻器
- 三个 100 kΩ 电阻器
- 一个 10 kΩ 电阻器
交叉引用
电路课程，第 3 卷，第 4 章：“[双极结型晶体管](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 运算放大器 (opens new window)”
学习目标
- 使用电流镜 (opens new window)设计差分放大器电路。
- 负反馈对高增益差分放大器的影响。
原理图，示意图
插图
指示
这种电路设计改进了前面所示的差分放大器。不是使用电阻器 (opens new window)来降低差分对电路中的电压，而是使用一组电流镜，结果是更高的电压增益和更可预测的性能。
该电路具有较高的电压增益，可以作为工作运算放大器或_运算放大器_。运算放大器构成了许多现代模拟半导体电路的基础，因此了解运算放大器的内部工作原理非常重要。
PNP晶体管Q 1和Q 2形成电流镜，其试图保持电流通过两个差分对晶体管Q 3和Q 4平均分配。NPN晶体管Q 5和Q 6形成另一个电流镜，将_总差分对电流设置在由电阻器R_ prg预定的水平。
随着输入电压的变化，测量输出电压（Q 4的集电极相对于地的电压）。注意两个电位器对输出电压的不同影响：一个输入倾向于以相同方向驱动输出电压（同相），而另一个倾向于以相反方向驱动输出电压（反相）。
您会注意到，当两个输入信号几乎彼此相等时，输出电压对输入变化的响应最为灵敏。
一旦证明了电路的差分响应（当一个输入被调整为高于和低于另一个输入的电压电平时，输出电压从一个极端电平急剧转变为另一个极端电平），您就可以将该电路用作真正的运算放大器。一个称为电压跟随 (opens new window)器的简单运算放大器电路是一个很好的配置，可以先尝试。
要制作电压跟随器电路，请将放大器的输出直接连接到其反相输入。这意味着将 Q 4的集电极和基极端子连接在一起，并丢弃“反相”电位器：
请注意下方示意图中显示的运算放大器的三角形符号。反相和同相输入分别用 (-) 和 (+) 符号表示，输出端子位于右顶点。
将输出连接到反相输入的反馈线在上图中以红色显示。作为电压跟随器，输出电压应该非常“跟随”输入电压，偏差不超过百分之几伏。
这是一个比之前的实验中描述的单个[共集电极晶体管更精确的跟随器电路！](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 放大器 (opens new window)，它在反馈回路中使用一对电阻器将一小部分输出电压“反馈”到反相输入端，使放大器输出等于某个倍数的电压在同相输入端的电压。
如果我们使用两个等值电阻，反馈电压将是输出电压的 1/2，导致输出电压变为施加在同相输入端的电压的两倍。因此，我们有一个精确增益为 2 的电压放大器：
当您测试这个同相放大器电路时，您可能会注意到输出和输入电压之间的细微差异。根据反馈电阻值，电压增益应恰好为 2。
但是，您可能会注意到输出电压与应有电压之间存在百分之几伏的偏差。这些偏差是由于差分放大器电路的缺陷造成的，如果我们增加更多的放大级来增加差分电压增益，这些偏差可能会大大减少。
然而，我们可以最大限度地提高现有电路精度的一种方法是改变 R prg的电阻。该电阻器设置较低电流镜的控制点，从而影响运算放大器的许多性能参数。
尝试替换从 10 kΩ 到 1 MΩ 的不同电阻值。不要使用小于 10 kΩ 的电阻，否则电流镜晶体管可能会开始过热并热“失控”。
一些预封装单元中的运算放大器为用户提供了一种类似“编程”差分对电流镜的方法，称为_可编程_运算放大器。大多数运算放大器不可编程，其内部电流镜控制点由内部电阻固定，并在出厂时调整为精确值。
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