基础题

基础4_单电源直接耦合放大电路

实验目标

1. 学习集成运放的单电源使用

2. 学习轨对轨集成运放的使用方法

3. 掌握单电源直接耦合放大电路的调试方法

实验器材

ADALM2000

理论基础

设计一个直接耦合反相放大器，要求：将峰值为0.1V、频率为1kHz、偏置电压为－0.2V的正弦波转换为最小值为1V、最大值为5V，频率仍为1kHz的正弦波，电路采用5V单电源供电，电阻选用标称值。

参考电路如图1所示。

           图1

其中V_REF=V_CC，R₁=1kΩ，R₂=20kΩ，R₃=100kΩ。运放：选用AD8542 CMOS 轨对轨运放，R₃：选用68kΩ电阻+ 50kΩ可调电阻。

实验步骤

1. 按照图1，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 接通ADALM2000的5V电压。

3. 按照设计要求调节信号源，并接入电路输入端。

4. 用示波器观察输出波形，适当调节微调电阻，使波形符合设计要求。

仿真结果

图1电路的仿真结果如下图所示，左下角为输入信号的波形，右下角为输出信号的波形。可以观察到，输出波形为最小值1V、最大值5V、频率1kHz的正弦波，符合要求。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中示波器通道1连接输出端口，电压源V+端口提供5V电压，信号源W2端口产生峰值200mV、偏置电压-0.2V、频率1kHz的正弦信号至输入端口：

在示波器中先设置1V和5V的游标，随后调整可变电阻阻值，当输出波形的最大与最小值分别位于游标位置时停止调整，此时即可得到符合要求的波形。

中等题

中等6_电压增益可调的共射放大电路

实验目标

1. 学习电压增益可调的共射放大电路的设计和搭建。

2. 掌握静态工作点调整和输出波形测试方法。

实验器材

ADALM2000   12V直流稳压电源

理论基础

设计一个共射放大电路，其电压增益 Avf 为 10～30。

要求：在保持静态工作点不变的条件下，使电压增益可以在一定范围内调整。将Re分成两个电阻Re1和Re2的串联，其中C3只并联在Re2两端，这样，只要Re的总阻值不变，静态工作点就不会受到影响。而改变Re1的值（Re2也作相应变动），即可改变电压增益Avf 的值。电路如图1所示，仿真图如图2所示。

图1

图2

实验步骤

1. 按照图1，在面包板上搭建电路（Re用1kΩ微调电阻，C3上端接微调的调整端），并对电路进行检测。

2. 将12V电压接入电路。

3. 用电压表测量射极电压，约为1.7V左右，否则，适当调节电阻Rb1。

4. 按照图1，将信号源（100mV，1kHz正弦波）接入电路输入端，用示波器观察输出端电压波形。适当调节Re（1kΩ），使输出波形电压可以在1V～3V之间变化。

仿真结果

对图2电路进行仿真。仿真过程中调整射级的可变电阻，得到输出幅值分别为1V和3V的仿真结果：

图3 输出约1V电压的仿真结果

图4 输出约3V电压的仿真结果

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

图5 搭建的电路

其中ADALM的信号源产生幅值100mV，频率1kHz的正弦波作为电路输入，示波器通道1测量输出端波形。调整射级的可变电阻，可以发现输出波形幅度发生变化。下图展示了输出幅值为1V（峰峰值2V）与3V（峰峰值6V）的波形：

图6 输出约1V电压的实验结果

图7 输出约3V电压的实验结果

进阶题

进阶1_LT3080典型应用

实验目标

1. 查阅LT3080资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习LT3080电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

LT3080是一款可调、1.1A、低压差稳压器，其典型应用电路（电压可变的电压源）如图1所示。

                   图1

LT3080 的工作原理可以简述如下：

• 基准电压：内部基准电压源产生一个非常稳定的 1.1V 电压，这个基准电压作为调节输出电压的参考点。
• 误差放大器：内部误差放大器对比输出电压和参考电压，控制一个可调的功率晶体管，以维持稳定的输出电压。
• 外部电阻调节：通过在 SET 引脚和 之间连接一个电阻（RSET），实际的输出电压可以根据所连接电阻的大小进行精确调节。

输出电压的计算公式如下所示：

 $V_{OUT}=I_{SET}\times R_{SET}$

其中VOUT是输出电压； ISET是 SET 引脚的设定电流，为 10 µA 的恒定电流；RSET 是连接在 SET 引脚和VOUT引脚之间的电阻值。通过选择不同的 RSET 电阻值，可以调节输出电压。

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中330kΩ电阻和50kΩ可调电阻串联后接入SET端，理论上改变可调电阻阻值，可以输出3.3V至3.8V的电压，从而模拟一个电压可调的电压源；1kΩ电阻接入VOUT端作为负载；ADALM2000的电压表通道1端口也接入VOUT端测量输出电压。LT3080通过12V外接电源供电。

调节可变电阻阻值，ADALM的电压表测得输出电压如下，与理论值接近：

进阶2_ADP3300典型应用

实验目标

1. 查阅ADP3300资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习ADP3300应用电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

ADP3300是一款高精度anyCAP^®50mA低压差线性稳压器，其功能框图如图1所示。

                  图1

ADP3300 的工作原理基于以下关键部分：

• 基准电压源：ADP3300 内部具有非常稳定的基准电压源。这一基准电压通常是通过带隙参考电路实现的，具有高温度稳定性和低漂移特性。
• 误差放大器：误差放大器用来比较输出电压和基准电压。当输出电压偏离设定值时，误差放大器会产生误差信号，用来调节外置的功率晶体管，进而调节输出电压使其回到目标值。
• 功率晶体管：内部的功率晶体管是一个可调节的P沟道MOSFET，负责调节流经负载的电流。当误差放大器检测到输出电压下降时，会增加功率晶体管的导通，使更多的电流流向负载，从而提高输出电压；反之亦然。
• 电流限制和短路保护：ADP3300 还集成了过流保护和短路保护电路，确保在出现过载或短路情况时不会损坏器件。
• 使能和关断特性：许多型号的ADP3300都带有使能（EN）引脚，可以通过外部信号控制该稳压器的开关，提高了系统的灵活性和省电能力。

一般来说，ADP3300 出厂时已经设定了固定的输出电压，常见值有 1.8V、2.5V、3.0V、3.3V、5.0V 等（本实验使用的是ADP3300-3.3V）。因此，用户通常不需要外部组件来调节输出电压。

本实验选择的应用电路为降噪电路（Noise Reduction Circuit）。在 ADP3300 中，通过在 NR（Noise Reduction，噪声减小）引脚上连接一个外部电容，能够有效减小输出电压的噪声。该电路能对带有噪声的输入电压进行去噪，输出去噪后的3.3V电压。电路原理图如下：

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中1kΩ电阻接入VOUT端作为负载；ADALM2000的示波器通道1端口接入VOUT端测量输出电压，信号源W1端口接入VIN端提供带噪声的输入信号源。输入信号为带有500mV幅度高斯噪声的4V直流电压，其波形如下图所示：

经过ADP3300的去噪，输出的3.3V电压所带噪声大幅减少，如下图所示：

进阶3_OP484典型应用

实验目标

1. 查阅OP484资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习OP484应用电路的构建、调整和测试

实验器材

    ADALM2000

理论基础

OP484是一款单电源、4MHz宽带放大器，具有轨对轨输入和输出特性，其引脚配置如图1所示。

             图1

本次实验我选择的参考电路是从3V电压源得到2.5V的基准电压（2.5 V REFERENCE FROM A 3 V SUPPLY）。该电路设计的目的是将单个3V供电转化为精确的2.5V电压基准。通过利用OP484的轨到轨输入输出能力，将AD589的1.235V电压基准放大到2.5V。其电路图如下图所示：

其中OP484在该电路中作为一个正向放大器，放大由正相输入端（引脚3）输入的电压，并通过反馈电阻与输入电阻调节增益大小。

根据负反馈电路的放大原理，电压增益可由以下公式确定：

我们的目标电压增益

选择输入电阻R3=100kΩ，则反馈电阻计算可得为102.4kΩ，因此选择电阻R2=100kΩ与可调电阻P1=2.4kΩ串联作为反馈电阻。

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中ADALM2000的信号源W2端口连接OP484的正相输入端作为1.235V输入信号，V+端口连接至OP484的V+端提供3V电压输入，电压表通道1端口接入OP484的VOUT端测量输出电压。

ADALM电压源配置：

信号源配置：

调节可变电阻，可以观察到VOUT端输出了2.5V左右的基准电压：

进阶4_AD654典型应用

实验目标

1. 查阅AD654资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习AD654电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

AD654是一款电压-频率转换器，主要用于将输入电压信号转换成与之成正比的输出频率信号，其功能框图如图1所示。该芯片通过内部积分器和电压比较器的配合，实现电压到频率的转换。

                图1

下面是AD654的基本工作原理：

• 输入电压信号：输入电压信号经过一个高阻抗输入端，进入AD654内部的积分器。
• 积分器：输入电压信号经过积分器积分，产生一个随时间变化的电压信号。当积分器的输出电压达到一个预设的参考电压（通常是内部设定的阈值），触发后续电路动作。
• 电压比较器：积分器输出电压一旦达到设定阈值，电压比较器产生一个翻转信号。这相当于一个方波信号的一个边沿。
• 反馈和转换：比较器的输出信号用于产生一个短暂的脉冲，这个脉冲通过一个反馈网络来影响积分器，使其重新开始积分过程。此反馈路径的工作方式确保了积分器在每个周期内的积分值是固定的，从而保证了输出频率与输入电压成正比。
• 输出频率：最终比较器的输出脉冲信号就是VFC的输出频率信号，它与输入电压成正比。

本实验选择的AD654的应用电路如下图所示：

该电路能将从VIN输入的电压转换为频率信号，并从FOUT口输出。其中输出频率与输入电压满足以下关系：

其中CT为连接在引脚6、7之间的电容，R1与R2为引脚3连接的电阻。

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中引脚3的电阻R1=1kΩ，可变电阻最大电阻也为1kΩ，6、7引脚间的电容CT=100nF，FOUT引脚连接了1kΩ的上拉电阻；ADALM2000信号源的W2端口输出1V电压至VIN端口作为AD654的电压输入，示波器通道1连接FOUT，电压源V+端口提供5V电压。由理论部分的公式可知改变R2的阻值大小，AD654输出频率范围为500Hz~1kHz。

调节可变电阻R2，从示波器中观察AD654输出的频率信号，可以看出输出的频率信号频率范围为528Hz~1092Hz，与理论值有少许误差，可能是因为电阻R1实际阻值与标称阻值有误差所造成的。

进阶5_AD8210典型应用

实验目标

1. 查阅AD8210资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习AD8210应用电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

AD8210是一款单电源差分放大器，适合于存在大共模电压的情况下，放大小差分电压。其功能框图如图1所示。

         图1

以下是其主要工作原理：

• 输入部分：AD8210 的输入端连接到电流感应电阻（分流电阻）。当有电流流过这个电阻时，会在两端产生一个电压降。这个电压差（通常是 mV 级的）传递到 AD8210 的差分输入端。
• 差分放大器：内部差分放大器对两端电压进行放大。与传统运算放大器不同，AD8210 专门设计成可以接受高共模电压的输入，这使它能直接用于电源线上。
• 内部增益网络：AD8210 内置固定增益网络（通常为20或50），确保输出信号在一个稳定且可预测的范围内。这个固定增益网络允许放大微小的电压降，使得后续的信号处理更容易。
• 输出部分：放大后的电压信号从放大器输出端输出。这个输出电压与流经感应电阻的电流成正比，可以通过校准公式计算出实际电流。
• 电源及抗噪设计：AD8210 具有较宽的电源电压范围（如 3V 到 5.5V），且内置抗噪声设计，可在高干扰环境下保持稳定的性能。

由数据手册可知，当电源电压为5V，且VREF1引脚接入5V电压，VREF2接地时，若正相输入电压值减去反相输入的电压值大于125mV，则Vo输出4.9V；小于-125mV时，Vo输出0.05V。

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中AD8210的反相输入端接地，正相输入端输入峰峰值1V、频率100Hz的正弦信号，该信号由ADALM2000的信号源W2端口提供，VREF1连接电源电压，VREF2接地；ADALM2000的电压源V+端口为AD8210提供5V电压，示波器通道1连接VOUT引脚，通道2连接信号源。

在示波器中观察输入与输出信号，可以看出当输入信号刚大于-125mV时，输出信号开始从0V增加至5V；在-125mV至125mV之间时，进入放大范围；输入信号刚小于125mV时，输出信号开始从5V下降至0V。

进阶6_LTM8067典型应用

实验目标

1. 查阅LTM8067资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习LTM8067应用电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

LTM8067是一款输入电压3～40V隔离式μModule DC-DC转换器，其原理框图如图1所示。LTM8067的典型应用如图2所示。LTM8067 是一个完整的电源模块，集成了开关控制器、功率晶体管、电感器、输入和输出电容以及其他相关电路。它的主要功能是将较高的输入电压降压到稳定的、较低的输出电压，以便为负载供电。

             图1

                  图2

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

本次实验直接使用ADALM2000元件包内的LTM8067模块，该模块内置一个可变电阻作为反馈电阻，调节可变电阻阻值即可改变输出电压大小（3V~15V）。

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中12V外接电源连接VIN端，ADALM的电压表通道1连接VOUT端测量输出电压。调节可调电阻，可实现输出电压在3V至15V之间变化：

进阶7_TMP01典型应用

实验目标

1. 查阅TMP01资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习TMP01应用电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

TMP01是一款低功耗可编程温度控制器，它集成了温度传感器和两个独立可调的温度比较器，其功能框图如图1所示。

                   图1

TMP01 的核心功能是感测温度并输出相应的电压信号，同时具有两个独立的温度阈值比较输出。具体作用如下：

• 温度传感： TMP01 内部包含一个精密的温度传感器，它会根据周围环境的温度输出一个与温度成线性关系的电压信号（VPTAT）。这个电压信号具备较高的线性度和精度，例如典型的温度-电压转换系数可能是 5mV/°C。
• 阈值设定： TMP01 内置两个温度比较器，每个比较器都有一个可编程的参考电压输入。这些参考电压通过外部电阻网络设定，即 SET1 和 SET2 引脚。根据参考电压设置的不同，一个比较器用于检测高温阈值（OVER 引脚），另一个用于检测低温阈值（UNDER 引脚）。当温度超过高温阈值时，VPTAT 呈现的电压高于 SET1 所设定的电压，OVER 引脚输出低电平；当温度低于低温阈值时，VPTAT 呈现的电压低于 SET2 所设定的电压，UNDER 引脚输出高电平。

根据数据手册，温度及电阻值的设定遵循以下公式：

本实验选择的应用电路为TMP01控制电机的电路，当温度超过TMP01的电阻（和）设定的阈值时，启动电机降低温度，温度降至阈值以下时停止电机。电路图如下图所示：

实验步骤

1. 按照所选电路，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照所选电路，接入电源电压。

3. 对电路进行相关参数的测试，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

选择R1=150kΩ，R2为300kΩ电阻与50kΩ可变电阻串联。由于我们只是用OVER引脚，可以直接省略。OVER引脚与V+引脚之间再连接一个4.7kΩ的上拉电阻。OVER引脚连接L298N电机驱动板来驱动电机，温度高于阈值时，OVER引脚输出低电平，电机转动；低于阈值时，OVER引脚输出高电平，电机不转动。

ADALM2000的电压表通道1端口连接TMP01的VPTAT端，监控TMP01当前输出的温度值（与VPTAT的电压成正比）；电压表通道2端口连接SET HIGH端，即电压阈值；电压源V+端口为TMP01提供5V供电；外接12V电源串联电阻后为L298N和风扇供电。

开始时，温度低于阈值，VPTAT<VSETHIGH，OVER输出高电平，电机不转动：

加热模块使其温度上升，温度高于阈值后，VPTAT>VSETHIGH，OVER输出低电平，电机转动：

进阶8_LT1054典型应用

实验目标

1. 查阅LT1054资料，了解其电路结构、性能和应用电路

2. 学习LT1054双电源倍增器电路的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000 

理论基础

LT1054是一款单片的、双极型的、开关电容电压转换器和稳压器，它的应用包括：电压逆变器、电压稳压器、负电压倍增器和正电压倍增器，它的原理框图如图1所示。

                    图1

以下是LT1054工作的基本原理：

• 开关操作：LT1054内部包含一个振荡器和一组开关。振荡器产生时钟信号，控制开关的通断。通过开关的周期性操作，可以实现电荷在电容器之间的转移。
• 电荷泵电路：通过调节开关的状态，LT1054能够在电容器上建立起所需的电压。利用不同的配置，可以实现升压（将输入电压提高到所需的输出电压）、降压（将输入电压降低到所需的输出电压）或反相（将正电压转换为负电压）。
• 电容器的作用：外部电容器在电荷泵电路中起到关键作用，主要用来存储和传输电荷。电容器的选择对电源转换效率和输出稳定性都有重要影响。
• 输出稳压：LT1054具有一个内部参考电压和误差放大器，用以调节输出电压并保持其稳定。通过反馈回路，可以检测输出电压并与参考电压比较，从而调节开关的占空比，使输出电压稳定在期望值。

这里给出了LT1054的一种典型应用——双电源倍增器，其原理图如图2所示。

                     图2

实验步骤

1. 按照图2，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照图2，接入电源电压。

3. 用电压表测量输入电压和输出电压，并记录。

4. 用示波器测量输出电压纹波，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中ADALM2000的电压表通道1测量+VOUT，通道2测量-VOUT，V+端口为LT1054提供输入电压。

设置电压源输出为4V，可以得到+VOUT=7.216V，-VOUT=7.099V：

设置电压源输出为5V，可以得到+VOUT=9.137V，-VOUT=9.037V：

可以看出，LT1054的输出电压略小于输入电压的2倍。数据手册中说明这个电压差值来源于LT1054内部的电压损失和2个二极管的压降。

在示波器中查看LT1054的输出纹波，如下图所示，纹波约为100~120mV。

进阶11_麦克风放大器

实验目标

1. 了解麦克风放大器的电路原理、电路结构和特点

2. 学习麦克风放大器的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000

理论基础

驻极体是一种电容式麦克风，它包括一个开漏FET前置放大器，需要在其输出端和5 V电源之间连接一个阻值为680 Ω至2.2 kΩ的漏极电阻R_D，这里我们选择2.2 kΩ。当采用5V电源电压时，漏极电压约为4.5V。之后构建一个交流耦合同相运算放大器，电压增益为10，其输出端有一个环内射极跟随器，并且与扬声器进行交流耦合。电路如图1所示。

由于放大器采用了5 V单电源供电，所以，运算放大器直流电平偏置到2.5 V的中间电压，并且输入、输出和反馈信号均进行交流耦合。

                    图1

实验步骤

1. 按照图1，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 为了检测放大器的功能，可先拆下麦克风和扬声器。

3. 接通5V电压，信号源设置为正弦波，峰峰值为50mV、频率为200Hz。用示波器观察输入电压和输出电压，并记录。

4. 适当调整正弦波的幅度，直到观察到波形双向限幅。

5. 将麦克风和扬声器连接到电路中，然后将扬声器移到麦克风前面，直到出现声音反馈。

仿真结果

对实验电路图进行仿真，仿真结果如下：

观察输入与输出信号的峰峰值，可以得到该放大电路的放大倍数约为10倍。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

当不接麦克风与扬声器时，ADALM2000信号源W2端口产生峰峰值50mV，频率200Hz的正弦信号作为输入；输入信号示波器1通道连接信号源，2通道连接最后的输出位置；V+端口为整个电路提供5V电源。此时信号如下：

可以观察到，输出端口得到了峰峰值为550mV左右的正弦信号，放大倍数约为11倍。

增大输入信号的幅度至500mVpp，可以观察到此时输出波形上部和下部均有限幅：

连接扬声器与麦克风后，将扬声器靠近麦克风，可以清楚地听到啸叫声，此时波形如下：

进阶12_三角波发生器

实验目标

1. 了解三角波发生器的电路原理、电路结构和特点

2. 学习三角波发生器的构建、调整和测试

实验器材

ADALM2000

理论基础

这里所介绍的三角波发生器是以AD654电压-频率转换器IC为基础的。AD654的常规输出是OC数字方波信号。而AD654的内部时序电路使用一个斜坡发生器，此内部斜坡波形是在AD654连接到引脚6和7的外部时序电容上以差分形式提供的。我们可以使用AD8226仪表放大器来缓冲该差分信号并将其转换为单端信号。电路如图1所示。

                      图1

实验步骤

1. 按照图1，在面包板上搭建电路，并对电路进行检测。

2. 按照图1接入电源电压。

3. 用示波器观察输出波形，并记录。

4. 调整可变电阻R12，观察输出波形，并记录。

5. 调整电阻R16，使输出三角波幅度最大，并记录。

实验结果

用面包板搭建电路，如下图所示：

其中ADALM2000的示波器1通道连接AD8226的7管脚测量输出波形，电压源V+与V-分别提供5V和-5V电压。示波器观察到频率为12kHZ，峰峰值为3.5V的三角波：

调整可变电阻R12，可以观察到三角波的频率发生变化，变化范围在500Hz~12kHz之间：

将电阻R16换为50 kΩ的可变电阻并调整其阻值，可以观察到三角波的幅度改变。当三角波不失真的情况下，其峰峰值最大约为5.7V：