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運(yùn)算放大器，運(yùn)放，在電路設(shè)計(jì)中非常常見。通過(guò)運(yùn)放，能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)雜的電路，但也因此成為最難理解的電子元器件。在此，我們以LM741作為例子，學(xué)習(xí)運(yùn)放的基本特性。
一、運(yùn)放IC
LM741應(yīng)該是史上最為成功的IC之一了。先來(lái)看一下它的引腳定義：
圖1-LM741經(jīng)典運(yùn)放引腳定義
重點(diǎn)關(guān)注：
- Inverting input，反相輸入
- Non-Inverting input，正相輸入
- Output，輸出
- Positive supply，電源正極
- Negative/Ground supply，電源負(fù)極/接地
二、比較器電路搭建
運(yùn)放最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，就是作為比較器。由于運(yùn)放的放大倍數(shù)很大，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)接上反饋來(lái)使用。但是，作為比較器時(shí)，可以不用接反饋，電路也相應(yīng)簡(jiǎn)單：
圖2-運(yùn)放作為比較器的簡(jiǎn)單電路圖
圖中，三角形符號(hào)用于表示運(yùn)放，其中，只顯示了正相輸入、反相輸入和輸出，沒(méi)有顯示電源正負(fù)極。雖然符號(hào)里面沒(méi)有電源正負(fù)極，但仿真軟件（我使用的是EveryCircuit軟件）在運(yùn)放的設(shè)置參數(shù)中是有電源正負(fù)極輸入的，目前設(shè)置的是±9V。
圖3-運(yùn)放的電源正負(fù)極設(shè)置
回到圖2，在“正相輸入”和“負(fù)相輸入”接有電壓表，在“輸出”也接有電壓表。
可以看到“正相輸入”連接一個(gè)開關(guān)，開關(guān)可以切換到0.1V（100mV）和0V。“負(fù)相輸入”直接接地。
三、比較器工作方式
在圖2中，當(dāng)前狀態(tài)下，開關(guān)切換到0V，“正相輸入”和“負(fù)相輸入”都是接地，運(yùn)放兩個(gè)輸入端電壓相同。通過(guò)電壓表讀數(shù)，看到運(yùn)放輸出是0V。
當(dāng)開關(guān)切換到0.1V，“正相輸入”比“負(fù)相輸入”大，運(yùn)放輸出是+9V，如下圖：
圖4-比較器輸出正電壓
好，現(xiàn)在我們將0.1V電源換個(gè)方向，這樣實(shí)際“正相輸入”的是-0.1V，比“負(fù)相輸入”的電壓要低，看看輸出是什么？
圖5-比較器輸出負(fù)電壓
輸出是-9V。
想一想，比較器這種工作方式是不是符合預(yù)期？
我來(lái)解釋一下：
- 運(yùn)放作為比較器，正相和反相兩個(gè)輸入端，誰(shuí)電壓大，輸出就是正或負(fù)。
- 所謂輸出的正或負(fù)，就是電源的正或負(fù)。
- 因?yàn)檫\(yùn)放開路增益非常大，兩個(gè)輸入端就算是微小的差異，也會(huì)獲得極大的輸出，導(dǎo)致輸出直接飽和（saturation）的狀態(tài)，即達(dá)到電源的正或負(fù)。實(shí)際上比電源正或負(fù)，還會(huì)略小一點(diǎn)。
四、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)
我們?cè)诿姘迳洗罱ㄒ粋�(gè)運(yùn)放比較器實(shí)驗(yàn)電路，如下：
圖6-面包板上用運(yùn)放搭建比較器（LM741，LM324，LM358皆可）
等效電路圖為：
圖7-運(yùn)放搭建比較器電路
首先，萬(wàn)用表查看穩(wěn)壓管兩端電壓，為3.37V，作為運(yùn)放反相輸入。
圖8-萬(wàn)用表檢查穩(wěn)壓管兩端電壓
其次，調(diào)節(jié)可變電阻，使其兩端電壓小于3.37V，比如2.09V，作為運(yùn)放正相輸入，由于電壓小于反相輸入，LED不點(diǎn)亮。
圖9-萬(wàn)用表檢查可變電阻兩端電壓，小于反相端，LED不點(diǎn)亮
最后，調(diào)節(jié)可變電阻，使其兩端電壓大于3.37V，比如3.43V，作為運(yùn)放正相輸入，由于電壓大于反相輸入，LED點(diǎn)亮（運(yùn)放輸出為5V）。
圖10-萬(wàn)用表檢查可變電阻兩端電壓，大于反相端，LED點(diǎn)亮
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