弱電流的放大及應(yīng)用

1、弱電流的放大及應(yīng)用（本文內(nèi)容選自高等教育出版社大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)）運(yùn)算放大器是一種用實(shí)現(xiàn)信號(hào)的組合和運(yùn)算的放大器。它是由若干三極管組成的多級(jí)放大電路，其電壓放大倍數(shù)高達(dá)十萬(wàn)倍，低的也有幾千倍。加上輸入阻抗高，輸出阻抗低等特性，在電子線路、信號(hào)處理、自動(dòng)控制系統(tǒng)、模擬計(jì)算機(jī)和測(cè)量裝置中都有廣泛的應(yīng)用。物理實(shí)驗(yàn)的目的之一就是培養(yǎng)學(xué)生利用已有的儀器、元器件，根據(jù)一定的物理規(guī)律或定律，組織和實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的某些規(guī)律的研究和物理量的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)是利用運(yùn)算放大器的放大作用，組成測(cè)量電壓、電流和電阻的儀表實(shí)現(xiàn)弱電流、微笑電壓和高電阻的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)原理1. 運(yùn)算放大器的原理如圖2.1.4-1所示，常用兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出

2、端的三角形符號(hào)代表運(yùn)算放大器?！?”、“-”分別代表它的同相及反相輸入端，在應(yīng)用中，反相輸入方式居多。令K0表示輸出電壓UC與輸入電壓Ur的數(shù)值之比，并取地端電壓為零，則 （1）K0稱為放大器的開環(huán)增益（開環(huán)放大倍數(shù)）從原理上講，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零，但由于組成放大器的三極管的工作點(diǎn)常因外界條件如溫度的變化而變化，加上K0很高，很容易使得輸出電壓不為零，即發(fā)生零點(diǎn)漂移。為了解決這個(gè)問(wèn)題，運(yùn)算放大器一般以一種并聯(lián)電壓反饋的方式工作，如圖2.1.4-2所示，為負(fù)反饋反相放大器。它在輸出端C和反相輸入端“-”之間跨接反饋電阻Rf，把輸出電壓的一部分反過(guò)來(lái)加到輸入端上。Rf的作用是：（1

3、） 減小零點(diǎn)漂移，使放大器能穩(wěn)定工作；（2） 提高了放大器的穩(wěn)定度和精度；（3） 改變放大器的增益為所需值。在有反饋電阻Rf及輸入回路電阻Ri存在時(shí)的電壓放大倍數(shù)K，稱為閉環(huán)增益。 （2）考慮到輸入阻抗很高，式（2）可表示為 （3）當(dāng)，即時(shí)，可以認(rèn)為，即采用無(wú)限增益近似。此時(shí)，閉環(huán)增益K為 （4）上式表明在開環(huán)增益非常大的情況下，K僅與外部電路的電阻Rf和Ri有關(guān)，而與放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。由于電阻的精度和穩(wěn)定性可以做得很高，所以K的精度和穩(wěn)定性也就很高。根據(jù)式（4）選用不同的電阻比值，就可以得到不同數(shù)值的K，又由于UC與Ui相位相反，故稱這種放大器為反相比例運(yùn)算放大器。使得“-”端電位極低，

4、稱為“虛地”。因?yàn)檩敵鲭妷嚎梢越?jīng)Rf向反相端輸入很強(qiáng)的并聯(lián)反饋電壓，從而使“-”端電壓低到接近于地端電壓。大多數(shù)運(yùn)算放大器，均設(shè)計(jì)成在兩個(gè)大小相等、極性相反的電源±VA下工作，故在其引出端子中，除了兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端外，還有正負(fù)電源引入端（圖2.1.4-1）。此外，為使放大器正常工作，有些放大器還要接上防振電容C，調(diào)零電位器Rt，平衡電阻RP等。本實(shí)驗(yàn)采用A741運(yùn)算放大器，它們的管腳排列及對(duì)應(yīng)的線路圖如圖2.1.4-3所示。也可采用其他型號(hào)的運(yùn)算放大器，但要注意其管腳排列。2用運(yùn)算放大器組成測(cè)量?jī)x表的原理用運(yùn)算放大器和普通表頭組成多用電表，實(shí)際上就是將被測(cè)得小訊號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器

5、放大，然后用一般電表進(jìn)行測(cè)量。這樣構(gòu)成的電表，安培計(jì)內(nèi)阻比一般電表低得多，而伏特計(jì)內(nèi)阻比一般電表高得多，歐姆計(jì)除了量程擴(kuò)展外，其刻度也線性化了。因此，其性能比普通模擬式儀表優(yōu)越。（1） 用運(yùn)算放大器和量程為M的伏特計(jì)組成0.1M和M的雙量程伏特計(jì)圖2.1.4-4所示為電路原理圖，虛筐內(nèi)為組裝后的伏特計(jì)，A、B為輸入端。根據(jù)要求，對(duì)應(yīng)伏特計(jì)的0.1M和M量程，放大器的閉環(huán)增益K應(yīng)分別10和1，故Ri分別為0.1 Rf和Rf。由于反相端是虛地，所以從A、B兩端看去，伏特計(jì)內(nèi)阻近似等于Ri。若取Rf=100k，則Ri為10k和100k，比普通毫伏計(jì)的內(nèi)阻（一般只有1k左右）大得多，且隨Rf的增大，內(nèi)

6、阻還可以增加。（2） 用運(yùn)算放大器和量程為M的伏特計(jì)組成量程為N的安培計(jì)圖2.1.4-5所示為電路原理圖，虛框內(nèi)為組裝后的安培計(jì)，D、E為輸入端，由要求可知，由于，所以，Rf應(yīng)取值，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的組裝安培計(jì)的量程為N。從D、E兩端看去，安培計(jì)內(nèi)阻為輸入端電壓除以輸入電流，即，利用，可以得到，而放大器，內(nèi)阻。若M為1500mV，N為20A，則,比普通微安計(jì)的內(nèi)阻（一般為幾百次）小得多。（3） 用運(yùn)算放大器和量程為M的伏特計(jì)組成量程為N的歐姆計(jì)圖2.1.4-6所示為電路圖，虛框內(nèi)為歐姆計(jì)，待測(cè)電阻Rx接在反饋電阻Rf的位置，F(xiàn)、G為輸入端，由可以得到如下數(shù)值關(guān)系：，故?？梢?jiàn)，選用不同的E和Ri,即可

7、構(gòu)成不同量程的歐姆計(jì)。此外，若要得到量程為N的歐姆計(jì)，Ri取值應(yīng)為。這樣構(gòu)成的歐姆計(jì)與一般多用表的歐姆計(jì)的不同之處在于此歐姆計(jì)的零點(diǎn)在電表的零點(diǎn)處，而且刻度是線性的。它的缺點(diǎn)是要求電源E準(zhǔn)確且穩(wěn)定。此外，每次更換Rx時(shí)，必須把開關(guān)斷開，否則，輸入端開路，干擾信號(hào)使放大器過(guò)載而可能損壞電表。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 用量程為1500mV的伏特計(jì)組裝150mV和1500mV的雙量程伏特計(jì)并校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)線路如圖2.1.4-7所示，當(dāng)把雙刀開關(guān)合向3、4端時(shí)，完成放大器調(diào)零工作；當(dāng)把雙刀開關(guān)合向1、2端時(shí)，調(diào)節(jié)電位器R，分別讀取組裝表和并聯(lián)在A、B兩端的標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)；畫出組裝表的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算組裝福特計(jì)的級(jí)別。2 用量程為1500mV的伏特計(jì)組裝量程為20A的微安計(jì)（1） 組裝并校準(zhǔn)組裝表，實(shí)驗(yàn)線路如圖2.1.4-8所示，參照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1的步驟，組裝、校準(zhǔn)組裝微安計(jì)并定出級(jí)別。（2） 用組裝表觀察激光的光強(qiáng)分布。按圖2.1.4-9連接線路。改變激光光斑與光電管的相對(duì)位置，照