简单运算放大器

零件和材料

• 两节 6 伏电池
• 四个 NPN 晶体管 - 推荐使用 2N2222 或 2N3403 型（Radio Shack 目录号 #276-1617 是一个包含 15 个 NPN 晶体管的封装，非常适合此实验和其他实验）
• 两个 PNP 晶体管——推荐使用 2N2907 或 2N3906 型（Radio Shack 目录号 #276-1604 是一个包含 15 个 PNP 晶体管的封装，非常适合此实验和其他实验）
• 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

电路中的essons ，第 3 卷第 4 章：“双极结晶体管”电路课程 ，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器”

学习目标

• 使用电流镜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

插图

说明

该电路设计改进了之前所示的差分放大器。在差分对电路中，不是使用电阻来降低电压，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。

具有更高的电压增益，该电路可以用作工作运算放大器或op-amp .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很重要。

PNP 晶体管 Q1 和 Q2 形成一个电流镜，试图保持电流通过两个差分对晶体管 Q3 和 Q4 平均分配。 NPN 晶体管 Q5 和 Q6 形成另一个电流镜，设置 total 差分对电流由电阻 Rprg 预先确定。

随着输入电压的变化，测量输出电压（Q4 集电极相对于地的电压）。请注意两个电位器如何对输出电压产生不同的影响：一个输入趋向于驱动同向的输出电压（同相），而另一个趋向于驱动相反方向的输出电压（反相）。

您会注意到，当两个输入信号几乎相等时，输出电压对输入的变化最敏感。

一旦电路的差分响应得到证实（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到另一个极端电平），您就可以将该电路用作真正的运算放大器。一个简单的运算放大器电路，称为电压跟随器 是一个可以先尝试的好配置。

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 Q4 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，输出端在右顶点。

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。

这是一个比早期实验中描述的单个共集电极晶体管更精确的跟随器电路！更复杂的运算放大器电路称为同相放大器 ，它使用反馈回路中的一对电阻将输出电压的一部分“反馈”到反相输入端，从而使放大器输出的电压等于同相输入端电压的若干倍。

如果我们使用两个等值电阻器，反馈电压将是输出电压的 1/2，导致输出电压变为同相输入端施加的电压的两倍。因此，我们有一个精确增益为 2 的电压放大器：

当您测试此同相放大器电路时，您可能会注意到输出和输入电压之间存在细微差异。根据反馈电阻值，电压增益应正好为2。

但是，您可能会注意到输出电压和应有的电压之间存在百分之几伏特的偏差。这些偏差是由于差分放大电路的不完善造成的，如果我们增加更多的放大级以增加差分电压增益，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 Rprg 的电阻。该电阻设置下电流镜的控制点，从而影响运算放大器的许多性能参数。

尝试替换不同的电阻值，范围从 10 kΩ 到 1 MΩ。请勿使用小于 10 kΩ 的电阻，否则电流镜晶体管可能会开始过热并“失控”。

预封装单元中提供的一些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。大多数运算放大器是不可编程的，它们的内部电流镜控制点由内部电阻固定，并在出厂时调整到精确值。