相關知識

在各種線性積體電路中，運用最廣的放大器大概要算是運算放大器（又 稱 OP 放大器），它主要用在加、減積分及微分等數學運算中，其符號如圖 1-1 所示，有正負二輸入端與一輸出端，除此之外還有兩隻輸入正負電源的 接腳與輸出抵補用的 offset 接腳，但這些在電路中通常都省略掉而沒有畫出 來，常見的 OP 符號畫法如圖 1-2。由於積體電路製造技術的進步，算放大 器不怛性能優良且體積小巧、價格低廉，因此被廣泛的應用在各種電子電 路中。

理想的運算放器具有下列各項特性：

圖 1-1 OP 放大器符號 圖 1-2 常用 OP 符號畫法

(1) 電壓增益為無限大，即 A=VOUT/VIN = ∞。

(2) 輸入阻抗亦為無限大，即 ZIN = ∞，換句話說，即不需要輸入電流。

(3) 輸出阻抗為零，即可輸出的電流沒有上限。

(4) 沒有任何偏電壓存在，當 V1 = V2時，V_OUT = 0V。

(5) 頻帶寬度為無限大，也就是說對任何頻率之輸入訊號皆具有相同電壓 增益。

(6) 共模拒斥比（CMRR）為無限大。

(7) 上述各種特性不會因為溫度之變化而產生

目前的算放大器雖然無法達到上述的要求，但對放大部分的應用來說

52

都己經足夠。接例來說，輸出的電壓增益是不可能達無限大的，但目前市 面常見之 OP 都有數百倍的增益，對一般小訊號場合己合用。

虛接地：由於運算放大器之輸入電壓增益為無限大，因此欲得到任何 輸出電壓時（實際上，輸出電壓項多只能達到電源電壓），輸入端所施加的 電壓可以幾乎為零，即

=0

≅ ∞

= ^OUT

V OUT I

V A V V

所以就輸入端而言，當運算放大器被用來擔任放大作用時「同相輸入 端」與「反相輸入端」之間為同電位，可視為短路。這性質在分析算運放 大器所組成之放大電路時相當有用，以下所介紹的各種電路都可以用它來 計算。

電壓隨耦器

電壓隨耦器的電路圖如圖 1-3 所示，由於 V_IN = V+ 但，V+ = V-，而 V- = VOUT，所以 V_OUT = VIN，即輸出電壓等於輸入電壓，沒有放大作用。

讀者會覺得好奇應該是為何沒有任何電壓放大作用的電路會被稱為放大 器？實際上，電壓隨耦器放大的的是輸出電流，雖然輸出但壓不變，但輸 出端是由 OP 所推動，而理想 OP 的輸出電阻為零，所以輸出電流可以達到 相當的程度。

圖 1-3 電壓隨耦器

電壓隨耦器一般多用在處理微小輸入電流的場合，如各種壓電元件的 輸出訊號，由於這類訊號電流量過小，不以推動電路的輸入端，故常在輸 入前先經過電壓隨耦器放大其電流，舉日常生活中最常見的為汽車上所用 的排氣含氧感知器為例，輸出電流只有數μA，必須先經過放大之後才可使 用。

同相放大器

如圖 1-4 所示為同相放大器，接著我們來分析其輸出端與輸入端之間的 關係。

圖 1-4 同相放大器

1

1 1

R V R I

=

V

⁻ = ^IN

2

2 2

R V V

R V

I V

^{OUT OUT} − ^IN

− =

= ⁻

因為 OP 放大器輸入電流為 0，所以 I₁ = I2

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝⎛ +

=

− ⇒

= 1

1 2 2

1 R

V R R V

V V

R V

IN OUT IN

OUT IN

由結果看出同相放大器之電壓增益是完全由電阻值控制的。

反相放大器

圖 1-5 所示為反相放大器，故名思義即輸出與輸入電壓是反相的。

圖 1-5 反相放大器

由於輸入 OP 放大器的電流幾乎可視為零，所以 I₁ = - I2

2

1 2

R V R

V

I V

^OUT − = ^OUT

= ⁻ ∵

V

₋ =

V

₊ =0

1

2 1

R V R

V

I V

^IN − = ^IN

= ⁻

∴ ^{IN OUT} _OUT

V

_IN

R V R

R V R

V

1 2 2

1 =− ⇒ =−

與同相放大器一樣，反相放大器的壓增益只受到電阻值的控制。

54

二、工作項目

工作一、電壓隨耦器

2. 按下圖接好零件，電源以 DC 正負 9~15V 供應。OP 放大器使用 UA741，

其接腳如圖所示。

3. 以三用電錶測試調整 1kΩ可變電阻器使輸入電壓為-2.0~+2.0V 並將 輸出電壓 V_O記錄於下面表格中

V^IN -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 +0.5 +1.0 +1.5 +2.0 V^O

VIN/VO

4. 將表格中各 V^O除以 V^IN即為此電壓隨耦器之電壓增益

工作二、同相放大器

按下圖接好各元件，電源以 DC±9~15V 供應，OP 放大器使用 UA741。

以三用電錶測試調整 1kΩ可變電阻器使輸入電壓為-2.0~+2.0V 並將 輸出電壓 V_O記錄於下面表格中。

V^IN -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 +0.5 +1.0 +1.5 +2.0 V^O

V^IN/V^O

將表格中各 VO除以 VIN即為此電壓隨耦器之電壓增益

將 R2 改為 1.8KΩ，重複第 2 步驟，並將相對應之數值記錄於下面表 格中。

V^IN -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 +0.5 +1.0 +1.5 +2.0 V^O

V^IN/V^O

工作三、反相放大器

1. 按下圖接好各元件，電源以 DC±9~15V 供應，OP 放大器使用 UA741。

以三用電錶測試調整 1kΩ可變電阻器使輸入電壓為-2.0~+2.0V 並將 輸出電壓 VO記錄於下面表格中。

V^IN -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 +0.5 +1.0 +1.5 +2.0 V^O

V^IN/V^O

將表格中各 VO除以 VIN即為此電壓隨耦器之電壓增益

四、問題討論

1. 試說明何謂運算放大器電路之虛接地現像？

2. 請參考電子學相關書籍中運算放大器一節，說明 UA741 之 NULL OFFSET 接腳之功能？

56

第四章 運算放大器電路

實驗九、加法器、減法器、積分器與微分器

一、 實驗目的

藉由實驗過程了解運算放大器電路的使用方法與放大器在加法器、減 法器、積分器與微分器上的應用。

二、 相關知識

在文檔中 目 錄 (頁 54-59)