運算放大器的使用方法（一） 物理實驗三
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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。這裏的VCC為15Volts。
․接腳1和5為歸零用，本實驗暫時不用。
․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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1. V 用1kHz，DC OFFSET=0，振幅0.1Volt 之弦波輸入，測in V ，得出電壓增益。out 2. 將V 之振幅加大，注意觀察in Vout，Vout的最大振幅為多少（不被削截）？
3. 改變V 的頻率，在很高或很低的頻率此放大器還正常工作嗎？ in
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′ 。V 振幅均不變。【s
in test
in out
out
R R
R V
V
= +
′ 】
<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R 較上一in 個電路高很多，故需用較大 的串聯電阻(大於1MΩ)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. R 用一10kΩ代替，f 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(數位電錶)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電壓源，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：
R V R V
Vout =( 1− 2)⋅ f =……(eq.2)
若Rf =R，則Vout =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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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
V = + − ；V1、V2、V 為輸入電壓，3 Vout為輸出。
3. 利用Op-Amp設計一個輸入阻抗為50Ω，放大率為100的非反相放大器。
