精密电压跟随器

零件和材料

• 推荐使用 1458 或 353 型运算放大器（Radio Shack 目录编号分别为 276-038 和 900-6298）
• 三个 6 伏电池
• 一个 10 kΩ 电位器，线性锥度（Radio Shack 目录号 #271-1715）

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器”

学习目标

• 说明如何将运算放大器用作电压跟随器
• 说明负反馈的目的
• 举例说明一些故障排除策略

原理图

插图

说明

在之前的运算放大器实验中，放大器用于“开环 “ 模式;也就是说，没有任何反馈 从输出到输入。因此，运算放大器的全电压增益可用，导致输出电压对于施加在两个输入端子之间的几乎任何量的差分电压都会饱和。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表现得像一个真正的放大器 ，我们需要它表现出可控的电压增益。

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不利，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，这比我们锻炼要容易得多修改其内部电路的选项。

想想吧，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，这比我们修改其内部电路的选择要容易得多。

如果我们将运算放大器的输出连接到其反相 (-) 输入，输出电压将寻求平衡反相输入电压与施加到同相 (+) 输入的电压所需的任何电平。如果这种反馈连接是直接的，如在一条直线上，输出电压将精确地“跟随”同相输入的电压。

与电压跟随器不同 由单个晶体管制成的电路（参见第 5 章：分立半导体电路），其将输入电压近似为十分之几伏，该电压跟随器电路将输出精确到微伏以内的电压 输入电压。

使用连接在运算放大器的同相 (+) 输入端子和电路接地（电源的负极）之间的电压表以及运算放大器输出端子和电路接地之间的输出电压测量该电路的输入电压。当您在其范围内调整电位器时，观察运算放大器的输出电压是否随输入电压变化。

您可以直接测量差异，或者误差 ，通过在运算放大器的两个输入端子之间连接电压表，在输出和输入电压之间。在电位器的大部分范围内，该误差电压应该几乎为零。

尝试将电位计移动到其极端位置之一，顺时针或逆时针远。测量误差电压，或将输出电压与输入电压进行比较。你注意到什么异常了吗？如果您在本实验中使用 1458 型或 353 型运算放大器，则应测量大量误差电压，或输出和输入之间的差异。

许多运算放大器，包括指定型号，无法将其输出电压准确“摆动”到全电源（“rail ”）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“rails ”。

在设计使用运算放大器的电路时，这是一个非常重要的限制。如果完整的“轨对轨 ” 电路设计中需要输出电压摆幅，可以选择提供此功能的其他运算放大器型号。 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 ”;也就是说，如果它具有高源阻抗。由于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，而是放大信号传递电流的能力 到负载。

电压跟随器电路对电路构建者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 .假设您正在使用一个或多个运算放大器构建一个电路来执行某些高级功能。

如果其中一个运算放大器似乎引起了问题并且您怀疑它可能有问题，请尝试将其重新连接为一个简单的电压跟随器，看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那样工作。

计算机模拟

SPICE 节点编号示意图：

网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字逐句）：

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) .结束

可以使用相关电压源在 SPICE 中模拟理想的运算放大器 (e1 在网表中）。首先指定输出节点（2 0 )，然后是两个输入节点，先同相输入 (1 2 ）。最后指定开环增益 (999meg ) 在从属电压源线。

由于 SPICE 将相关源的输入阻抗视为无限大，因此必须包括一定数量的电阻以避免分析错误。这就是 Rbogus 的目的：为 Vinput 电压源提供接地的直流路径。这种“虚假”阻力应该是任意大的。在这个模拟中，我选择了 1 MΩ 作为 Rbogus 值。

电路中包含负载电阻的原因大致相同：为相关电压源输出端的电流提供直流路径。如您所见，SPICE 不喜欢开路！

相关工作表：

• 正反馈运算放大器电路工作表