Tricky Circuit

同相运算放大器

把小信号变得更高

Op amp 是 operational amplifier 的简称,即运算放大器:需要供电并比较两个输入。负反馈把部分输出送回减法输入。同相表示输出保持输入符号。增益是电压比;削顶把所要求的输出限制在电源轨处。 Av 标记线性电压增益,单位 V/V:削顶之前每一伏输入对应的输出伏数。

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改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。

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工作原理

理想 0–5 V 放大器,输入电流为零,输出可到达两条电源轨。真实器件有输入范围、输出摆幅、速度和电流限制。模型未经实物测试。

所要求的 Vout = Vin × (1 + Rf/Rg)。Vin 是信号电压,Rf 是反馈电阻,Rg 是到地的电阻,地为 0 V 参考。反馈电压 = Vout × Rg/(Rg + Rf)。只有在线性区才等于 Vin。

难度
  1. 搭建 · 观察

    通电,输入 0.5 V,两只电阻均为 10 kΩ。读出输出 1 V。

    需要提示?

    0.5 V; Rg = Rf = 10 kΩ → 1 V

  2. 探索 · 调整

    输入 0.2 V 时,不发生削顶,得到输出 0.95–1.05 V。

    需要提示?

    0.2 V; Rg 10 kΩ; Rf 40 kΩ → 1 V

  3. 独立解题 · 发现界限

    输入 1 V 时,选择至少为 6 的增益。观察输出被限制在 5 V,反馈输入不再等于 1 V。

    需要提示?

    1 V; Rg 5 kΩ; Rf 25 kΩ → 要求 6 V, 实际 5 V

延伸阅读与电路配方

把小信号变得更高

实用关联

Rf 与 Rg 相等时,增益为二而不是一,因为公式还加了 1。

意外细节

输出限制在 5 V、所要求增益为六时,反馈为 5/6 V,低于 1 V 信号。

值得避开的误区

负反馈不能要求输出超过供电电压。发生削顶时,两输入不再相等。

Rf 是 Rg 的两倍,没有削顶。增益是…

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延伸阅读

增益 = 1 + Rf/Rg = 1 + 2 = 3。

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