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電子學實習 ( 二 ) 教學大綱 :

電子學實習 ( 二 ) 教學大綱 :. 1 、運箅放大器 ( 暨 LM741 元件 ) 簡介 . 2 、反相放大器 / 非反相放大器 / 電壓隨耦器 測試 . 3 、輸入阻抗 / 輸出阻抗 /S.R. 參數 測試 . 4 、頻率響應 /GBP 值 測試 . 5 、輸出偏移電壓 / 零位補償電路 測試 . 6 、差量電壓放大器 / 加法電路 / 減法電路 測試 . 7 、儀表放大器測試 . 8 、積分器 / 微分器 測試 . 9 、比較器 / 史密特觸發電路 測試 . 10 、無穩態 / 雙穩態 / 單穩態多諧掁盪器測試 . 11 、三角波產生器測試 .

gianna
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電子學實習 ( 二 ) 教學大綱 :

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  1. 電子學實習(二)教學大綱: • 1、運箅放大器(暨LM741元件)簡介. • 2、反相放大器/非反相放大器/電壓隨耦器 測試. • 3、輸入阻抗/輸出阻抗/S.R.參數 測試. • 4、頻率響應/GBP值 測試. • 5、輸出偏移電壓/零位補償電路 測試. • 6、差量電壓放大器/加法電路/減法電路 測試. • 7、儀表放大器測試. • 8、積分器/微分器 測試. • 9、比較器/史密特觸發電路 測試. • 10、無穩態/雙穩態/單穩態多諧掁盪器測試. • 11、三角波產生器測試. • 12、韋恩電橋掁盪器暨其它掁盪電路測試.

  2. 實習一：反相放大器測試

  3. 實 習 步 驟 ： • Vi與RL未接，示波器DC檔測VO 。 VO近似__________________。 • 令Vi = 0.5V峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器CH 1測Vi 、CH 2測Vo， Av = Vo/Vi = _______________ 。 • 【註】：示波器CH 1設定0.5V/DIV，CH 2設定5V/DIV、再按【反相】【INV】鍵，看CH 1與CH 2在示波器螢幕上的波形是否重疊吻合？若重疊吻合則代表Av = －10 。 • 【注意】：若Vo ≒ 0、Vi 、＋Vcc 、－Vcc ，則表示OP 壞了。 • RL = 10k接上，示波器測Vo與Vi， Av = Vo/Vi = _______________ 。 • RL = 100k接上，示波器測Vo與Vi， Av = Vo/Vi = _______________ 。 • 將Vi掁幅調大(例：2V峰值)，直至VO上、下截波失真，記錄VO波形與值，此時示波器CH 2【INV】鍵鬆開、定好時基線、用DC交連測。 • ＋VO (Max ) = _______________ ，－ VO (Max ) = ________________ 。 • 改Vi = 直流0.5V，示波器測Vo與Vi， Av = Vo/Vi = _______________ 。 • 改R f = 20 kΩ，重覆步驟2、但Vi要調小一些， Av= Vo/Vi = ___________ 。 • 改電路為非反相放大器，R = 1 kΩ、R f = 10 kΩ、RL不接，重覆步驟2、 • Av= Vo/Vi = _______________ 。 • 注意事項： • 1、電路用到雙電源，請將電源供應器選在串聯(SERIES)同步模式。CURRENT • 旋鈕調在9點鐘方向(最大電流約數百m A)。 • 2、Vi = 直流0.5V：將訊號產生器上的波形鍵鬆開後再調DC OFFSET旋鈕(拉起來調)，同時用示波器 CH 1 接在Vi 。 • 3、741的 ±Vcc ( max ) = ± 22V，741C的 ±Vcc ( max ) = ± 18V，本實驗室的 ±Vcc用 ± 10V，是為避免超過10V的電壓不小心加到訊號產生器的輸出端，燒壞訊號產生器。

  4. Vi與RL未接

  5. 令Vi = 0.5V峰值

  6. RL = 10k

  7. RL = 100k

  8. 改R f = 20 kΩ，重覆步驟2

  9. 改電路為非反相放大器，R = 1 kΩ、R f = 10kΩ、RL不接，重覆步驟2

  10. 實習二：Ri/Ro/S.R.參數測試

  11. 實 習 步 驟 ： • (一)測Ri • ±Vcc用 ± 10V，先測OP好、壞，將訊號產生器先略過RX 接到Vb，令Vb = 0.5V峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器CH 1測Vb、CH 2測Vo， Av = Vo/Vb = _______________ 。 • 【註】：若Av = －10，則表示OP 好的，若Vo ≒ 0、Vi 、＋Vcc 、－Vcc ，則表示OP 壞了或是電路接錯。 • 再將訊號產生器如圖接上，Va = 0.5V峰值，示波器測Va與Vb，Va = __________ 、Vb = _________，則Ri = _________ 。 • 公式：Vb = Va × RI ÷ ( RX ＋ RI ) • 改RX 與R = 2k，重覆步驟2， Va = ____ 、Vb =_____ ，則Ri = __________ 。 • (二)測Ro：將電路圖上的RX 去掉。 • 此電路為反相放大器，改R = 10 kΩ、R f = 1 kΩ、RL不接，令Vi = 0.1V峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器CH 1測Vi 、CH 2測Vo， Av = Vo/Vi = _______ ，Vo = _________ 。 • 再將RL = 10Ω接上，重覆步驟4，Vo 稱VL= ________，則Ro= ________ 。 • 公式：VL= VO × RL ÷ ( RO ＋ RL ) • 將Vi改5V峰值，則Vo波形會載波，Io(max) = Vo(max) / RL = ____。RL = 10Ω。 • (三)S.R.參數測試：將電路圖上的RX 去掉，R = 1 kΩ、R f = 10 kΩ、RL不接。7、令Vi = 0.5V峰值、f = 1k HZ方波，示波器CH 1測Vi 、CH 2測Vo，記 • 錄Vo波形 = _________ ，則S.R. = ΔVo/Δt = _________ 。 • 8、改Vi的頻率 f = 10 k Hz，重覆步驟7，Vo波形 = ____ ，則S.R. =______。 • 9、改Vi的頻率 f = 100k Hz，重覆步驟7，Vo波形 = ____ ，則S.R. =______。 • 10、改Vi = 0.5V峰值弦波，頻率 f由10 k Hz往上調大，直到Vo波形變成三角波，記錄Vo波形 = ____ ，則三角波的斜率 = S.R. =______。 • Q&A：對放大器而言，若Vi為弦波，卻得Vo為三角波，試問原因為何？

  12. 《ㄧ.》S.R(Slew Rote 移動率) 定義：S.R≡ 意即：Vi變化時,Vo的變化速率　 亦：電路所能給Vo的最大變化率 EX： ▲S.R=定值 註：741的S.R=0.5~1V/μs EX：上例已知S.R=1V/μs casel若f=1kHz→ Vo波形 Ans：S.R= 1V/μs= ∴Δt=20μs T=1/f=1 s T/2=500μs Vi Av=-10 Vo 方波

  13. EX：f=10kHz Vo 波形 Ans： 的比例大 失真明顯 EX：若f=10kHz Vo 波形? Ans:T/2=10μs而變化20V的ΔVo 需20μs得Δt Vo嚴重失真成三角波 Vo（理）=Vi*Av 若Vo=弦波 完成Vm‧sinωt（峰值） EX：若Vo（理）=10V峰值弦波 已知S.R=1V/μs

  14. Cas1:若f=1kHz Vo波形? Ans:（作圖）T=1/f=1ms=1000μs

  15. Cas2:若f=50kHz Vo波形? Ans:（作圖）T=1/50ms=20μs

  16. Ques:放大器,若Vi為弦波,卻得Vo為三角波,原因? Ans:1.電路的S.R太小 2. Vi的f大 ▲要弦波Vo不失真 原點的變化率＜S.R 弦波Vo= Vm‧sinωt 不失真: ; ω‧Vm＜S.R ω＜S.R/Vm or f= S.R/2πVm

  17. 最大不失真頻率:f(max)=S.R/2πVo(p)(Vo的峰值)

  18. 已知S.R=1V/μs,若Vi=1V峰值,弦波 f(max)=? Sol:Av=-Rf/R=-10 Vo(p)=Vi(p)*∣Av∣ =1V*10=10V f(max)=S.R/2π* Vo(p) =(1V/μs)/6.28*10V =1/62.8 示波器螢幕顯示圖

  19. 實習三：頻率響應與GBP值參數測試

  20. 實習步驟： • (一)測電壓增益Av： • ±Vcc用 ± 10V，先測OP或是電路好、壞，將訊號產生器接到Vi，令Vi = 0.5V峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器CH 1測Vi、CH 2測Vo， Av = Vo/Vi = _______________ 。 • 【註】：若Av = －10，則表示OP 好的，若Vo ≒ 0、Vi 、＋Vcc 、－Vcc ，則表示OP 壞了或是電路接錯。 • 此電路為反相放大器，Av = Vo/Vi = － R f / R 。 • (二)測頻帶寬度BW： • 重令Vi = 50 mV峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器用DC交連方式，CH1測Vi、CH2測Vo，微調頻率f使Vo與Vi剛好完全反相， Av = Vo/Vi = － 10，此時Vo記做VO (mid ) =____________。 • 將Vi的頻率f往上調，使Vo變為1/ VO (mid ) (≒0.7 VO (mid ) )，此時f稱做fch=___________。 • 再將Vi的頻率f往下調，會發現Vo皆等於VO (mid ) 。 • 因為OP為直流放大器，∴頻帶寬度BW = fch = ___________ 。 • (三) GBP = Av × BW • 7、上述之測試，GBP = Av × BW = ____________ 。 • 8、將R f 改成5kΩ (用兩個10kΩ並聯)，重新測Av = __________ ， • 頻帶寬度BW = __________ ，GBP = Av × BW = ____________ 。 • 9、改R為5kΩ、R f 為10kΩ，重新測Av = __________ ， • 頻帶寬度BW = __________ ，GBP = Av × BW = ____________ 。 • 10、步驟7、8、9、所測得之GBP值是否相同？ • 註：3dB點之Vo，若失真成三角波，則應將Vi電壓調小，重新測試。 • Q&A：如何測量放大器的頻帶寬度BW？

  21. 參數GBP﹤Gain Bandroidth Product﹥ GBP=Av*Bw=定值 EX:741 A=2*105 BW=5Hz GBP=2*105 *5Hz=1MHz 另例如右圖: 分析:Av=-Rf/R=-10 BW=GBP/∣Av∣ =1MHz/10=100kHz EX:若上題Rf=100kΩ ∴ BW=GBP/100=10kHz 741

  22. ▲電路中的電容效應 1.延遲訊號的反應時間限制了電路的反應速率,為了S.R參數的定義依據 2.對訊號造成分流or衰減Vo變小(不是失真),即Vo的功率變小,為頻寬BW定義依據 △BW的定義: 半功率點＜-3dB點＞的頻率範圍

  23. Po=Vo2/RL Po=由1變到1/2 即Vo變為來的1/√2倍

  24. △如何測頻寬：（BW） 1.Vi加弦波，電壓大小適當，f先置中頻帶；示波器測Vo記Vo(mid) 2.調f↑，使示波器測Vo=變為來的1/√2 Vo(mid)，此時之f稱fH 3.調f↓找fL 4.BW= fL ~ fH

  25. △實務上： 1.f先置中頻，微調Vi大小使Vo(mid)，在示波器螢幕上呈整數滿格子數，ex:5格，再調f，使Vo變0.7倍，即0.7*5=3.5格→此f即為半功率f

  26. 已知參數GBP=1 v/μs→BW=?

  27. Ans：理論BW=GBP/｜Av｜=1MHz/10=100kHz（ fH） 測試時： 1.若Vi=0.1V(P) 由S.R.參數可知 fmax=S.R./2πV(P) =(1v/μs)/0.28*1V =1/6.28MHz，知fH＜fmax →可測到真正的fH 2.若Vi=1V(P)→最大不失真頻率fmax=16kHz →fH＞fmax →測不變真正的fH

  28. 實習四：輸出偏移電壓與零位補償電路測試

  29. 實習步驟： • (一) 先測OP或是電路好、壞： • 接上圖(1)，±Vcc用 ± 10V，將訊號產生器接到Vi，令Vi = 0.5V峰值、f = 1～5k HZ弦波，示波器CH 1測Vi、CH 2測Vo， Av = Vo/Vi = ________ 。 • 【註】：此電路為反相放大器，Av = Vo/Vi = － R f / R，若Av = －10，則表示OP 好的，若Vo ≒ 0、Vi 、＋Vcc 、－Vcc ，則表示OP或電路故障。 • (二)測輸入偏移電壓V io，與輸入偏壓電流IB： • 2、接上圖(2)，示波器用DC交連方式測Vo，V io= Vo =__________。 • 【註】IC741，A=2×105 ，IB = 80 nA(典型值) 。 • 3、接上圖(3)，示波器用DC交連方式測Vo，IB = Vo/R f =__________。 • (三)外加補償電阻Rc補償偏壓電流的影響: • 4、令上圖(1)之Vi = 0，示波器用DC交連方式(或用數位電壓表DCV檔)測Vo， • 此Vo稱VO(offset) ，VO(offset) = _______________。 • 5、在「＋」端前加Rc =R∥R f = 1kΩ，重測Vo，VO(offset) = __________。 • (四)IC零位補償接腳補償：步驟5中Rc去掉。 • 6、令上圖(1)之Vi = 0，VO(offset) = _____，由IC接腳補償能否使Vo補償至0？

  30. 7、改圖(1)之R與R f 如下表，測VO(offset) ，能否使Vo補償至0？ • RR f Av未補償前VO(offset) 能否使Vo補償至0？1k10k－1010k100k－10100k1M－101M10M－10【註】IC741補償方法：第1、5腳接VR10k兩端、中間接第4腳(即－Vcc)。 (五)外置補償電路補償： • 8、反相放大器：圖(1)之第3腳不接地，改接VR10k之中間接腳、VR10k兩端各接1MΩ電阻到＋Vcc與－Vcc，調VR10k使當Vi=0時Vo=0，問：能否使Vo補償至0？ • 9、非反相放大器：、、、類推。 • 註：測試順序：一、四、三、二(3、2)，改圖(3) R f = 10MΩ。

  31. 一.輸出偏移電壓Vo(offset) 產生的原因： 1.內部的： Vo=Vi*A (I)理想Vo=0 (II)若≠0，稱為 Vo(offset)→是直流

  32. 即 等效成：

  33. 又等效成： 輸入偏移電壓，極性不確定

  34. 2.外部的： △OP做放大器，需接負回授(虛接地)如下

  35. (i)Vio的影響： Vio * Av(非反) = (1+Rf/R)

  36. 輸入偏壓電流《 I（+）or I （-）》的影響：

  37. V(+) = V(-) = 0V ∴IR=0，∴I(-)=If 而Vo (offset)=If * Rf=I(-) * Rf 平均偏壓電流：(I(-)+I(+))/2 註：741，IB=80nA(典型值) EX：設I(-)=80nA，(1)若Rf=10kΩ→ Vo (offset) =I(-) * Rf=80nA*10kΩ=800μV=0.8mV (2)若Rf=10MΩ→ Vo (offset)=I(-) * Rf =80nA*10MΩ=800mV→ so big

  38. ▲補償I(-)影響的方法，在(+)端前加Rc

  39. Vo (offset)=If * Rf-I(+) * Rc V(+) = V(-) =-I(+) * Rc IR=(0-V(+))/R If=I(+) –IR 若Rc用R//Rf的大小 Vo (offset)=〔 I(-) - I(+) 〕* Rf = Ios* Rf 理想：I(-) = I(+) 定義：輸入偏壓電流 Iio=｜I(+) - I(-) ︱ P.S：741， Iio =20nA(典型)

  40. 二.補償方法： 1.Ic接腳補償(查資料單)調VR=10k，使Vi=0時，Vo=0 2.外部補償(略)(註：環境中的雜訊源)

  41. 2.測Vo (offset)時：示波器可能呈現情形如上圖，其直流準位即為Vo (offset) 3.若干擾嚴重(1)檢查各接地點(2)用手〝接〞地點，輔助接地

  42. 步驟七： Vio*(1+Rf/R)+I(-)*Rf Vio：1mv(741典型值)，正負皆有可能(設-1mv) ；I(-)：80nA，永正(741典型性) 則(-1mv) *(11)+ 80nA *10kΩ = -10.2mv (-1mv) *(11)+ 8mv = -3mv (-1mv) *(11)+ 80mv = 69mv (-1mv) *(11)+ 800 = 789mv 上表各項之理論值

  43. 實習五：差 量 電 壓 放 大 電 路 測 試

  44. 實 習 步 驟 ： • (一) 先測OP或是電路好、壞：參考之前之實習項目，±Vcc用 ± 10V。 • (二) 反相加法電路測試：做交流測試，直流測試略。 • 接上圖(1)，令V1 = 200mVP、V2 = 100 mVP、示波器測Vo =_____ 。V1與V2產生方法如圖(4)，將訊號產生器調200mV峰值、f = 1～5k HZ弦波，接到兩個100Ω的串聯電阻上做分壓。 • (三) 非反相加法電路測試： • 接上圖(2)，V1與V2同上，示波器測Vo =________________ 。 • (四) 減法電路測試： • 接上圖(3)，V1與V2同上，示波器測Vo =________________ 。 • (五) 差量電壓放大電路測試： • 4、圖(3)中，改R f = 100 kΩ，令V1－V2 = 100mVP，示波器測Vo =___________， • 差量電壓增益Ad = Vo / (V1－V2) = ___________。 • 5、再令V1 = V2 = 1 VP，(此稱共模電壓VC)，示波器測Vo =___________， • 共模電壓增益A C= Vo / VC ___________。 • 6、共模拒斥比CMRR = Ad / AC = _____________。

  45. 一.單端輸入：

  46. 二.雙端輸入(可抑制雜訊波放大)

  47. 三.基本電路

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