運算放大器實驗板

典型的電機工程入門課程以實驗室為基礎，從基礎知識學起：電阻、電容、電感、二極體，以及如何使用克希荷夫定律分析基本電路。這些實驗室通常會使用一種讓電機工程系學生又愛又恨的裝置，這種裝置雖然能協助學生任意探索，卻也可能成為一場惡夢。這個既奇妙又可怕的裝置是什麼？是免焊式試驗電路板 (麵包板)。

本文將不會深入討論免焊式試驗電路板，只會說明它們絕對佔有一席之地且地位穩固。它們相當有價值：可提供在操作實體電子元件時的感受，在構建幾種入門電路時重複使用元件，還能建立相當於電子版本的「Hello, World!」，即點亮 LED (不要忘記串聯電阻！)。不過，在實作入門的幾種 3、4、5、6 個組件的電路之後 (如圖 1 所示的^.二階低通濾波器¹)，便開始會出現連接錯誤、短路、開路連接，最糟糕的是，還容易出現斷續的連接。

圖 1.典型的「簡單」試驗電路板電路。(圖片來源：Analog Devices)

隨著電路越複雜及元件數量的增加，必須要做出決策，從技術和經濟層面上考量，判斷何時試驗電路板不再實際²，需開始生產電路板。現今有大量低成本、免費、開源佈局軟體可供使用，再加上眾多費用低廉的電路板製造商，此決策點的複雜性已降低不少。現在，我們可以觀看教學影片，下載免費佈局軟體，設計一片電路板，然後在一周後收到郵寄的成品，這一切僅需不到十美元。這對教育工作者和學生來說是個良機。讓我們停止空想，以一個實例來演練。

學生學會最基本的電路後 (分壓器、簡單的 RC 濾波器、二極體和一個或兩個電晶體放大器)，通常會開始學習使用運算放大器。純類比運算放大器是用途極廣泛的組件。即使到了 2023 年，人們的注意力轉向人工智慧 (AI)、資訊工程、數位化、軟體相關領域，偶而還是會需要放大實體世界的小訊號。通常是在驅動類比數位轉換器 (ADC) 時需要強化微弱的訊號，之後訊號純粹處於數位域中。反之亦然：數位世界的訊號需轉換為類比訊號，放大並傳送到無線電發射器、揚聲器、入耳式耳機、顯示器等，最終由 (極為類比的) 人類使用。

學生一開始打造的幾個運算放大器電路不會很複雜，會由運算放大器本身、電源旁路電容 (別漏掉！) 以及一些決定功能的被動元件所組成。範例包括：

• 電壓隨耦器／單位增益緩衝器
• 增益為 -1 (類比反相器)
• 增益 +2
• 其他反相和同相增益
• 差動放大器
• 積分器 (和低通濾波器)
• 微分器 (和高通濾波器)

以上電路都可以在試驗電路板上建立，並且有高成功率。不過，對於午後實驗室的所有學生而言，電路不免會出現問題讓人挫折，最壞的情況就是從運算放大器中冒出魔法煙霧³。

此外，透過跳線選擇配置，學生就能夠輕鬆地在各種功能之間切換，以便更迅速建立直覺。例如，在反相和同相增益之間或在微分器和積分器之間來回切換。

圖 2 中的電路 (點此查看零件清單) 用於對所有配置進行測試、量測和探索，並有 100% 的成功機會，總成本不到十美元。可在 GitHub 取得電路板檔案，甚至於透過 DigiKey 的 DKRed 或 PCB Builder 服務訂購電路板。

圖 2a.運算放大器實驗板 Kicad 線路圖。(圖片來源：Analog Devices)

圖 2b.用於模擬的運算放大器實驗板 LTspice 線路圖。(圖片來源：Analog Devices)

圖 2c.運算放大器實驗電路板。(圖片來源：Analog Devices)

可容納多種運算放大器樣式，並且能在板上安裝插槽，抽換各個元件。單和雙運算放大器具有標準 8 引腳配置。單一運算放大器上的額外引腳有多種功能。最常見的是透過電位器進行偏移調整，並將其滑針連接到電源軌之一，這是完整支援的功能。中央 SIP 插槽可容納此主動學習練習中所述的離散電晶體運算放大器。

踏入工作台之前，在紙上仔細研究電路，並且依據所選的組件計算預期特性，會非常有啟發。輸入所有元件值後可進行 LTspice 模擬，提供另一種預測電路特性的方法，包括暫態 (時域) 和 AC (頻域) 響應⁴。

最後，讓我們開啟電源開關，看看此電路在現實生活中的用途。此處我們使用 Analog Device 的 ADALM2000。此板件的設計適用於幾乎所有雙極桌上型電源供應器、訊號產生器、示波器，以及其他多功能測試儀器，如 Red Pitaya 的 STEMlab 板。

從 ADALP2000 零件套件中包含的 OP97 放大器開始說明。此放大器具有 ±2.25 V 到 ±20 V 的超寬廣電源範圍，且 ADALM2000 的電源輸出對應設定為 ±5 V。讓我們在電路板上配置一個更有趣的電路，即差動放大器，並將 1 kHz、1 Vp-p 正弦波應用於非反相輸入，及 100 Hz、1 V 鋸齒波應用於反相輸入。此波形有助於明確觀察反相輸入的極性反轉，如圖 3a (LTspice 模擬)和 3b (量測結果) 所示。通道 1 (橘) 是運算放大器的輸出；通道 2 是電路的反相輸入。

圖 3a.差動放大器 LTspice 模擬。(圖片來源：Analog Devices)

圖 3b.差動放大器量測結果。(圖片來源：Analog Devices)

在運算放大器實驗板針對 ADALM2000 張貼了幾個額外練習的完整指示，以及 Red Pitaya STEMlab 的運算放大器實驗實作課程 (點選連結的箭頭，瞭解設定細節)。所有的電路板設計檔案 (KiCAD 格式) 和 Gerber 檔案均根據 Creative Commons BY-SA 授權條款發布；連結是相關的練習頁面。

既然電路已經配置完成並開始運作，學生 (或想要複習一下的工程師) 可以在各種配置之間來回測試，探索遵循所有規則時的預期特性。同樣重要的還包括，將這些規則打破時的限制，如輸出切割失真、輸入共模範圍、頻寬限制等讓類比電子元件充滿趣味的無數小細節。您無需擔心將線路圖轉換至試驗電路板時會發生的連接、短路、開路或鬆動連接錯誤。這些情況，以後無論是在大學實驗室還是現實生活，都常會發生，不用急著去面對。

註腳：

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - 顯然這位工程師並沒有收到這份備忘錄：https://eater.net/8bit/

3 – 請參閱：https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 – 要先進行手動計算、模擬或桌上型測試比較好？作者不表示意見。因為大多數現實世界的開發和偵錯都會以不同的順序在三者之間進行迭代。