LM741/UA741运算放大器使用说明及应用
物理量的感测在一般应用中,经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号,之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化,以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小,以致信号处理时难以察觉其间的变化,故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号,而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已,尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。现今放大器种类繁多,一般仍以运算放大器(Operational Amplifier, Op Amp)应用较为广泛,本文即针对741运算放大器的使用加以说明。
1. 运算放大器简介
放大器最初被开发的目的是运用于类比计算器之运算电路,其内部为复杂的集成电路(Integrated Circuit, IC),亦即在单一电子组件中整合了许多晶体管与二极管,图1为一般放大器之内部等值电路。
[!--empirenews.page--]运算放大器属于使用反馈电路进行运算的高放大倍率型放大器[/!--empirenews.page--]运算放大器属于使用反馈电路进行运算的高放大倍率型放大器,其放大倍率完全由外界组件所控制,透过外接电路或电阻的搭配,即可决定增益(即放大倍率)大小。图2为运算放大器于电路中的表示符号,可看出其包含两个输入端,其中(+)端为非反相(Non-Inverting)端,而(-)端称为反相(Inverting)端,运算放大器的作动与此二输入端差值有关,此差值称为“差动输入”。通常放大器的理想增益为无穷大,实际使用时亦往往相当高(可放大至105或106倍),故差动输入跟增益后输出比较起来几乎等于零。
1. 运算放大器内部等值电路图
图2. 差动运算放大器表示符号
2. 741运算放大器使用说明
2.1 作动方式与原理
741放大器为运算放大器中最常被使用的一种,拥有反相向与非反相两输入端,由输入端输入欲被放大的电流或电压信号,经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源,其值由±12Vdc至±18Vdc不等,而一般使用±15Vdc的电压。741运算放大器的外型与接脚配置分别如图3、4所示。
图3. 741运算放大器外型图
图4. 741放大器输出入脚位图
741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压+Vdc与-Vdc,一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在,压差即会被放大于输出端,唯Op放大器具有一特色,其输出电压值决不会大于正电源电压+Vdc或小于负电源电压-Vdc,输入电压差经放大后若大于外接电源电压+Vdc至-Vdc之范围,其值会等于+Vdc或-Vdc,故一般运算放大器输出电压均具有如图5之特性曲线,输出电压于到达+Vdc和-Vdc后会呈现饱和现象。
[!--empirenews.page--]放大器输出入电压关系图[/!--empirenews.page--]图5. 放大器输出入电压关系图
741运算放大器之基本动作如图6所示,若在非反相输入端输入电压,会于输出端得到被放大的同极性输出;若以相同电压信号在反相输入端输入,则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。而当对放大器两输入端同时输入电压时,则是以非反相输入端电压值(V1)减去反相输入端电压值(V2),可于输出端得到(V1-V2)经过倍率放大后之输出。
图6. 放大器基本输出入关系图
电源供应
电源供应器本身具备两组外接插孔以提供两组电源输出,如图7所示,当需要以一正一负方式输出电压时,可利用电源供应器上Tracking键之功能。例如欲产生±15Vdc电压,需先行将两组电源输出中其中一组之正端接上另一组之负端,剩下未接的两个输出端便为电源输出端,之后将电源供应器电源打开并将仪表板上Tracking键按下,再由板面上调整旋钮以调整出所需之±15Vdc电压。于调整时已可发现,尽管只旋转其中一组电源输出调整旋钮,但两组电压输出值会同时改变且显示数字相同,只是一端为正,一端为负,此时即可得到一端正值、一端负值,且同为15Vdc之输出,其原理类似拿两个电池头尾相接串联的情况。
图7. 电源供应器产生±Vdc电压输出接线图
然而若是欲将放大电路与感测组件整合于测试机台中时,便无法使用电源供应器提供运算放大器电源,此时需要自制±15Vdc电源电路。制作方法是利用桥式整流器与稳压IC搭配适当规格之电容构成整流电路,将一般常用之110伏特电源转为±15Vdc之电源,其电路图如图8所示,110伏特电源经桥式整流器后,利用三端稳压IC7815与7915将电压值调整至±15Vdc,其中7815为正电压调整器用以稳定电压至+15Vdc,7915则进行负电压调整。
图8. 利用稳压IC自制±Vdc电源电路图
[!--empirenews.page--]运算放大器常用电路[/!--empirenews.page--]3. 运算放大器常用电路
实际使用运算放大器时,因各类传感器输出电压变化极大,放大后电压很难正好落在放大器输出电压范围内,且运算放大器输入电源电压有其限制之承受范围限制,故需在电路上变化或补正。另外放大器放大倍率亦不一定正好为所需倍率,故需外接不同阻值电阻来解决。以下是一些简单的放大器应用电路介绍及其电路图。
3.1 缓冲电路
将输出电压的一部份引回输入端之动作称为反馈,而其中将输出电压引回反相输入端者称为负反馈,负反馈会使得整个电路的放大倍数下降,但却能因此得到正确的电路放大倍数,且可在输入电阻很大时,使输出电阻变小,并且使放大频率频宽增大。
图9为放大倍数为1倍的缓冲电路,当a点电压为V1时,Vo=V1。
图9. 缓冲电路
3.2 非反相放大电路
使用反馈方式将输出电压引回反相输出端形成负反馈电路,其输出信号与输入同相,可得到(1+R1/R2)倍的输出,其电路如图10所示。图中a点电位为V1,流过反馈电阻R1的电流
则可得
图10. 非反相放大电路
3.3 反相放大电路
反相放大电路之接法如图11,同样是使用负反馈电路方式作动,只是此时信号由反相端输入,故会得到与输入端反相之输出,当输入电压V1增大时会使得输出电压Vo下降。此电路可以得到(R1/R2)倍的输出,当a点电位为0V时,其输出电流如式(1)为V1/R2,则
图11. 放大器应用电路3-反相放大电路
[!--empirenews.page--]差动放大电路[/!--empirenews.page--]3.4 差动放大电路
图12是能够将两个输入电压V1、V2之间的电压差值放大的电路,同样是利用将输出电压引回反相输入端的负反馈电路,可以得到R1/R2倍的放大倍率。因为此电路之b点电位是由V2决定,所以a点与b点会有相同的输入电压,则
通过反馈电阻R1上的电流为
故通过电阻R1所产生的压降为
因为输出电压Vo是VR1与Vb之和,故整理得输出电压为
图12. 差动放大电路
3.5 I/V变换电路
由I/V变换电路可得到随输入电流变化的输出电压,线路接法如图13,其输出电压Vo= -IR。
图13. I/V变换电路
3.6. V/I变换电路
由V/I变换电路得到随输入电压变化的输出电流,线路接法如图14,其输出电流同式(1)为V1/R2。
图14. V/I变换电路