第3节 精密电压跟随器 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 运算放大器，推荐 1458 或 353 型（Radio Shack 目录号分别为 276-038 和 900-6298）
- 三个 6 伏电池
- 一个 10 kΩ 电位器，线性锥形（Radio Shack 目录 # 271-1715）
交叉引用
电路课程，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器 (opens new window)”
学习目标
- 说明如何使用运算放大器作为电压跟随器
- 说明负反馈的目的
- 说明一些故障排除策略
原理图，示意图
插图
指示
在之前的运放实验中，放大器是在“开环”模式下使用的；也就是说，没有从输出到输入的任何_反馈。因此，运算放大器的全电压增益是可用的，导致在两个输入端子之间施加几乎任何量的差分电压时，输出电压都会饱和。如果我们需要比较器操作，这很好，但如果我们希望运算放大器充当真正的_放大器，我们需要它表现出可管理的电压增益。
由于我们无法拆卸运算放大器的集成电路并更改电阻 (opens new window)值以降低电压增益，因此我们仅限于外部连接和组件。实际上，这并不像人们想象的那样是一个缺点，因为极高的开环电压增益与反馈相结合，使我们能够将运算放大器用于更广泛的用途，比我们锻炼时容易得多修改其内部电路的选项。
想想看，因为极高的开环电压增益与反馈相结合，使我们能够将运算放大器用于更广泛的用途，这比我们选择修改其内部电路要容易得多。
如果我们将运算放大器的输出连接到其反相 (-) 输入，则输出电压将寻求任何必要的电平，以平衡反相输入电压与施加到同相 (+) 输入的电压。如果这种反馈连接是直接的，例如在一条直线中，则输出电压将精确地“跟随”同相输入的电压。
与由单个晶体管制成的[_电压跟随_器电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 电压跟随器电路 (opens new window)将输出精确到输入电压_微伏_范围内的电压.
使用连接在运算放大器的同相 (+) 输入端子和电路接地（电源的负侧）之间的电压表测量该电路的输入电压，以及运算放大器的输出端子和电路接地之间的输出电压。当您在其范围内调整电位计时，观察运算放大器的输出电压是否跟随输入电压。
您可以通过在运算放大器的两个输入端子之间连接电压表来直接测量输出和输入电压之间的差异或_误差。_在电位器的大部分范围内，该误差电压应该几乎为零。
尝试将电位器移动到其极端位置之一，顺时针或逆时针。测量误差电压，或将输出电压与输入电压进行比较。你注意到有什么不寻常的地方吗？如果您在本实验中使用 1458 型或 353 型运算放大器，则应测量较大的误差电压或输出和输入之间的差异。
许多运算放大器（包括指定型号）无法将其输出电压精确地“摆动”到全电源（“轨”）电压电平。在这种情况下，“轨”电压分别为 +18 伏和 0 伏。由于 1458 内部电路的限制，其输出电压无法准确达到这些上限和下限。您可能会发现它只能在电源“轨道”的一两伏以内。
在使用运算放大器设计电路时，这是一个非常重要的限制。如果电路设计中需要完整的“轨到轨”输出电压摆幅，则可以选择提供此功能的其他运算放大器模型。3130 型就是这样一种运算放大器。
如果要放大的电压信号不能承受“负载”，则精密电压跟随器电路很有用；也就是说，如果它具有高源阻抗。由于根据定义，电压跟随器的电压增益为 1，因此其目的与放大电压无关，而是放大信号向负载提供_电流_的能力。
电压跟随器电路对电路制造商还有另一个重要用途：它们允许对运算放大器进行简单的线性测试。我推荐的故障排除技术之一是_简化和重建_. 假设您正在构建一个使用一个或多个运算放大器来执行某些高级功能的电路。
如果其中一个运算放大器似乎引起问题并且您怀疑它可能有故障，请尝试将其重新连接为简单的电压跟随器，并查看它是否以该容量运行。不能作为电压跟随器工作的运算放大器肯定不会像任何更复杂的东西一样工作。
电脑模拟
带有 SPICE 节点号的示意图：
网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字）：
电压跟随器 vinput 1 0 rbogus 1 0 1meg e1 2 0 1 2 999meg rload 2 0 10k .dc vinput 5 5 1 .print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2) .end
理想的运算放大器可以在 SPICE 中使用_依赖电压源_（网表中的e1）进行仿真。首先指定输出节点 ( 2 0 )，然后是两个输入节点，首先指定非反相输入 ( 1 2 )。开环增益在相关电压源线路中最后指定 ( 999meg )。
由于 SPICE 将相关源的输入阻抗视为无限大，因此必须包含一些有限量的电阻以避免分析错误。这就是 R bogus的目的：为 V输入电压源提供到地的直流路径。这种“虚假”的阻力应该是任意大的。在这个模拟中，我选择 1 MΩ 作为 R假值。
电路中包含负载电阻的原因大致相同：为相关电压源的输出端的电流提供直流路径。如您所见，SPICE (opens new window)不喜欢开路！
相关练习：
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