運算放大器的使用方法（一） 物理實驗三
運算放大器的使用方法(一)
目的
了解並測試運算放大器的簡單應用電路
儀器
信號產生器、示波器、數位電錶 麵包板、接線及香蕉插座零件盒各一 運算放大器LM741一枚
電阻1k、10k各四枚，1M一枚
可變電阻1k一枚
1.5V電池(包括電池座)一組 20k、100k 各兩枚
原理說明
實際741 的接法可參閱補充資料及元件資料，基本你所需要知道的事情如下：
․〝DIP〞﹝dual- in- line﹞包裝的IC 可以很自然地插入麵包板，您絕對不需要 對它的腳﹝pin﹞做矯正手術。（小心他從麵包板上跳起來！）
․第一次接觸IC 的同學請注意接腳的編號順序。
․您在使用Op-Amp 前，必須加上電源± Vcc
․如右圖。這裏Vcc 為15Volts。
․接腳1 和5 為歸零用，本實驗暫不用。
․所有外部電路接好後再開電源﹝±Vcc﹞；
要拆線路前亦先關電源。
實驗步驟
接線時特別注意直流電源供應器的調整方式：(1)用tracking，(2)用series，
(3)正電源輸出之負端接地（用金屬片），負電源之正端接地，(4)電流上限要調夠 大，(5)電源的接地和電路（麵包板）的接地要接在一起。
＜一＞反相放大器﹝Inverting Amplifier﹞
基本接線如右圖：
假如你只接了圖中的線，
鐵定你的電路不會work！
別忘了接±15Volts電源。
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運算放大器的使用方法（一） 物理實驗三
1. Vin 用1KHz，DC Offset=0，振幅0.1Volt 之弦波輸入，測Vout，得出電壓增益。
2. 將Vin 之振幅加大，注意觀察Vout ，Vout 的最大振幅為多少（不被削截）？
3. 改變Vin 的頻率，在很高或很低的頻率此放大器還正常工作嗎？
4. 試試看三角波輸入，這放大器是否非常〝線性〞？（看三角波形是否有失真）
5. 測量此放大器的輸入阻抗。先不接Rtest，測出Vout。再接上適當Rtest，再測得 Vout＇。Vs振幅均不變。 【 Vout＇/Vout=Rin/(Rtest+Rin) 】
＜二＞非反相放大器（Non-inverting Amplifier）
基本接線如右下圖：（注意輸入端之＋，－）重複步驟＜一＞中 1 至 5。
注意！本電路之Rin 較上一個電路高很多，故需用較大的串聯電阻（大於1M ）來測。同時注意示 波器之輸入阻抗所造成的效應。
＜三＞隨耦器（Follower）
隨耦器的接線很簡單，如下圖：重複步驟＜一＞中之1 至5。
通常我們把此種隨耦器叫〝緩衝器〞（Buffer），用於電路之輸入或輸出部分。
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＜四＞電壓和放大器（Summing Amp.）
上面的電路將兩輸入V1 和V2 的和放大，即 )
1 2 (
2 1
R V R
Vout V + + f
= ... （eq. 1）
當Rf =R時，Vout =V1+V2為一加法器（Adder）
1. Rf用一10kΩ代替，V1 先接地（0V）。V2用1k 可變電阻調整（注意可變電阻的 使用方法），串聯之1k 電阻是用來限制V2 之範圍。用DVM 測量V2，調整V2在+5 和-5V 之間，Vout 是否如預期？V1輸入改由一個1.5V 的電池提供，改變V2，結 果符合eq. 1 嗎？
2. V1的輸入改由信號產生器提供，輸入信號為1kHz，DC offset=0，振幅1 Volt之 弦波；V2仍用DC 源，由1k 可變電阻調整。對於不同V2值，用示波器觀察Vout（用 DC 檔，注意DC offset）。這個電路是否是一個加法器？
你注意到了嗎？此電路可不就是一個〝卡拉OK〞中的〝混音器〞（Mixer）嗎？很簡單吧？
＜五＞電壓差放大器（Difference Amplifier）
上圖為一電壓差放大器，可將兩 輸入端V1 和V2 的差放大，即：
) 1 2 (
2 1
R V R
Vout V − + f
= ……(eq.2) 若Rf=R，則VVout =V1−V2，此電路 為一類比式減法器(Substrater)。
重複步驟四中之步驟，
但（eq.1）改為（eq. 2），
加法器改為減法器。
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運算放大器的使用方法（一） 物理實驗三
預習問題
1. 請查閱電子元件資料(見參考資料)，畫出LM741 的八隻腳的接法，及排列方 式。
2. 閱讀運算放大器的參考資料，證明（eq. 1）和（eq. 2）。
3. 計算步驟一和二中放大器的放大率。
數據分析與思考問題
1. 整理每一步驟的數據結果，並和理論值比較。回答步驟中的問題。
2. 請利用Op-Amp（個數不限制）設計一電路做下面運算：
3 2
1 2V V
V
Vout = + − ；
V
1、V
2、V3為輸入電壓，Vout為輸出。3. 利用Op-Amp 設計一個輸入阻抗為50Ω，放大率為100 的反相放大器。
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