弱电流的放大及应用解读

1、弱电流的放大及应用(本文内容选自高等教育出版社大学物理实验)运算放大器是一种用实现信号的组合和运算的放大器。它是由若干三极管组成的多级放大电 路，其电压放大倍数高达十万倍，低的也有几千倍。加上输入阻抗高，输出阻抗低等特性，在电子 线路、信号处理、自动控制系统、模拟计算机和测量装置中都有广泛的应用。物理实验的目的之一就是培养学生利用已有的仪器、元器件，根据一定的物理规律或定律，组织和实现对物质的某些规律的研究和物理量的测量。本实验是利用运算放大器的放大作用， 组成测量电压、电流和电阻的仪表实现弱电流、微笑电压和高电阻的测量。实验原理1.运算放大器的原理如图2.1.4-1所示，常用两个输入端和一个

2、输出端的三角形符号代表运算放大器。“+”、“-”分别代表它的同相及反相输入端，在应用中，反相输入方式居多。令Ko表示输出电压？Uc与输入电压?Ur的数值之比，并取地端电压为零，则KoUc UcUr(1)3Ko称为放大器的开环增益(开环放大倍数)E图2.H4-1反相运算放人器图2*1沁亠2负反反相放大器从原理上讲，当输入电压为零时，输出电压也应为零，但由于组成放大器的三极管的工作点常因外界条件如温度的变化而变化，加上Ko很高，很容易使得输出电压不为零，即发生零点漂移。为了解决这个问题，运算放大器一般以一种并联电压反馈的方式工作，如图2.1.4-2所示,为负反馈反相放大器。它在输出端 C和反相输入

3、端“-”之间跨接反馈电阻Rf，把输出电压的一部 分反过来加到输入端上。Rf的作用是：(1) 减小零点漂移，使放大器能稳定工作;(2) 提高了放大器的稳定度和精度；（3）改变放大器的增益为所需值。在有反馈电阻Rf及输入回路电阻Ri存在时的电压放大倍数K，称为闭环增益K土Ui考虑到输入阻抗很高，式（2）可表示为(3)K*RfRR当Ko- 1，即K 时，可以认为K。：，即采用无限增益近似。此时，闭环增益 K为RfRi(4)K罟(K。Ri上式表明在开环增益非常大的情况下， K仅与外部电路的电阻Rf和Ri有关，而与放大器本身的参数无关。由于电阻的精度和稳定性可以做得很高，所以 K的精度和稳定性也就很高。

4、根据式（4）R选用不同的电阻比值 ，就可以得到不同数值的 K，又由于Uc与U相位相反，故称这种放大器 Ri为反相比例运算放大器。使得“-”端电位极低，称为“虚地”。因为输出电压可以经Rf向反相端输入很强的并联反馈电 压，从而使“-”端电压低到接近于地端电压。大多数运算放大器，均设计成在两个大小相等、极性相反的电源土 Va下工作，故在其引出端 子中，除了两个输入端和一个输出端外，还有正负电源引入端（图 2.141）。此外，为使放大器正 常工作，有些放大器还要接上防振电容 C,调零电位器Rt，平衡电阻Rp等。本实验采用卩A741运算放大器，它们的管脚排列及对应的线路图如图 2.1.4-3所示。也可

5、采用 其他型号的运算放大器，但要注意其管脚排列。2 用运算放大器组成测量仪表的原理用运算放大器和普通表头组成多用电表，实际上就是将被测得小讯号通过运算放大器放大，然后用一般电表进行测量。这样构成的电表，安培计内阻比一般电表低得多，而伏特计内阻比一般电 表高得多，欧姆计除了量程扩展外，其刻度也线性化了。因此，其性能比普通模拟式仪表优越。（1）用运算放大器和量程为 M的伏特计组成0.1M和M的双量程伏特计图2.1.4-4所示为电路原理图，虚筐内为组装后的伏特计，A、B为输入端。根据要求，对应伏特计的0.1M和M量程，放大器的闭环增益 K应分别10和1,故Ri分别为0.1 Rf和Rf。由于反相端是虚

6、地，所以从 A、B两端看去，伏特计内阻近似等于 Ri。若取Rf=100kQ,则 Ri为10kQ和100kQ，比普通毫伏计的内阻（一般只有 1kQ左右）大得多，且随Rf的增大，内阻 还可以增加。图2,1-4-4组装伏特计电路原理图圈2.14-5 组装安培i|电路匾理图（2）用运算放大器和量程为M的伏特计组成量程为N的安培计图2.1.4-5所示为电路原理图，虚框内为组装后的安培计，D、E为输入端，由要求可知，Uc max二M, lj max二N，由于I, = I f ,I f R _Uc，所以，Rf应取值，此时，对应的组装安培 N计的量程为N。从D、E两端看去，安培计内阻为输入端电压除以输入电流，

7、即Rg=丄,利用1 iIi =1 f,l fRf 二-Uc = KoUr，可以得至U Rg 二旦 ，而放大器 Ko _104K 0 K o N，内阻Rg <10M。若M为1500mV, N为20卩A，则Rg空7.5，比普通微安计的内阻(一般为N几百次)小得多。(3) 用运算放大器和量程为M的伏特计组成量程为N的欧姆计图2.1.4-6所示为电路图，虚框内为欧姆计，待测电阻 Rx接在反馈电阻Rf的位置，F、G为输 入端，由I i =lf可以得到如下数值关系：i C，故RxCRi二Uc，*。可见，选用不同的RiRxUiEE和Ri,即可构成不同量程的欧姆计。此外，Uc max二M，若要得到量程为

8、N的欧姆计，Ri取值应N为E。M这样构成的欧姆计与一般多用表的欧姆计的不同之处在于此欧姆计的零点在电表的零点处，而且刻度是线性的。它的缺点是要求电源 E准确且稳定。此外，每次更换 Rx时，必须把开关断开， 否则，输入端开路，干扰信号使放大器过载而可能损坏电表。实验内容1.用量程为1500mV的伏特计组装150mV和1500mV的双量程伏特计并校准实验线路如图2.1.4-7所示，当把双刀开关合向3、4端时，完成放大器调零工作；当把 双刀开关合向1、2端时，调节电位器R,分别读取组装表和并联在 A、B两端的标准表的读数; 画出组装表的标准曲线，并计算组装福特计的级别。图2.U4-7组装伏特计实验装置图2 .用量程为1500mV的伏特计组装量程为20卩A的微安计(1)组装并校准组装表，实验线路如图 2.1.4-8所示，参照实验内容1的步骤，组装、校准组装微安计并定出级别图2,1.4-8组裳徽安计实验装图(2)用组装表观察激光的光强分布。按图 的相对位置，照在光电管上的光强将发生改变， 时记录组装表的读