實驗三 OPA運算放大器：比較器電路 通訊三甲 B09622027 李忠憲 指導老師:田慶誠

內容 利用PSPICE了解理想OPA與實際的uA741 (or LMV921) OPA之間的規格差距。實驗中之電路架構包含了不含回授電路的比較器電路、正回授後的比較電路、負回授後的線性電路，建構基本的OPA使用法則。

圖3-1 Ideal OPA comparator 步驟一 請開啟PSPICE，建立圖3-1之理想OPA比較器電路。首先從Analog library中找到OPAMP的理想OPA元件，點選元件並記錄元件中可設定之參數值。OPA(+)端接V1電壓源，OPA(-)端接地。將電壓源V1用VSIN取代，並設定VOFF= 0VDC，VAMPL(Vpeak)= 2V，FREQ=1kHz。設定Transient analysis: run to time=3ms、maximum step size= 0.001ms。分別在Vin及Vout加上voltage probes，觀察Vin & Vout對時間之變化。製作成投影片並根據OPA基本定義解釋其比較器動作原理、輸出電壓範圍、輸出轉態點的位置。 圖3-1 Ideal OPA comparator

Ideal OPA定義 Ideal OPA 定義:Ri=∞,Aod=∞,Ro=0

(250u,2.0) (750u,2.0) (1.12m,15.0) (1.63m,-15.0) 上面是Vin與Vout,v-t圖 當輸入電壓(綠線)無論為多少都能直接放大到無限大(輸出端電壓紅線) 由於我們將最高電壓值限制住 ，所以模擬圖只能放大到15V

(250u,2.0) (750u,2.0) (1.12m,15.0) (1.63m,-15.0)

步驟二 開啟新的probe window，將Vout對時間做圖，並將時間軸變數換成Vin，製作成輸入輸出轉移曲線(Transfer curve)。製作成投影片後根據OPA基本定義解釋其動作原理，並以箭頭標示出轉移曲線隨時間行進之方向。 轉移曲線隨時間之行進方向 上圖 橫軸為Vin 縱軸為電壓 當我們Vin(綠線)輸入極低的電壓此放大器能瞬間將其放大至Max電壓,為一理想放大器

圖3-2 uA741 (or LMV921) OPA comparator 步驟三 如圖3-2請將OPAMP換成opamp library中的uA741 (or LMV921)。第7腳Vcc+請接上+5V VDC電壓源，第4腳Vcc-請接上-5V VDC電壓源，完成模擬及投影片製作。請比較及討論uA741 (or LMV921) comparator與Ideal Comparator輸入輸出轉移曲線(Transfer curve)不同之處。 圖3-2 uA741 (or LMV921) OPA comparator

(250u,2.0) (500u,4.8) (750u,-2.0) (1.0m,-4.8) (1.15m,4.8) (1.96m,-4.8) 此圖橫軸為時間軸 縱軸為電壓軸 顯示出最大電壓與最低電壓 轉態點

(250u,2.0) (500u,4.8) (750u,-2.0) (1.0m,-4.8) (1.15m,4.8) (1.96m,-4.8)

(352u,4.8) (352u,-4.8) 上圖 縱軸為電壓 橫軸為Vin 當輸入電壓由負轉正時 轉移曲線為黃線 當輸入電壓由正轉負時 轉移曲線為藍線

步驟四 將步驟三之電路以實際之uA741 (or LMV921) IC 接妥，如uA741 (or LMV921) IC接腳圖3-3，第7腳Vcc+請接上+5V VDC電壓源，第4腳Vcc-請接上-5V VDC電壓源，將電壓源V1用AFG3000任意波形產生器取代，並設定VOFF= 0VDC，輸出阻抗調成50 Ohm，VAMPL(Vpeak-to-peak)= 2V(請討論為何要設定成2Vpp？而不是4Vpp？)，FREQ=1kHz。分別在Vin及Vout加上CH1 and CH2 voltage probes，觀察Vin & Vout對時間之變化。製作成投影片並根據OPA基本定義解釋其比較器動作原理、輸出電壓範圍、輸出轉態點的位置。

輸入電壓(黃線) CH1 峰對峰值為4.08V 輸出電壓(藍線) CH2 峰對峰值為7.80V 輸出電壓範圍+5V~-5V 上圖 橫軸為時間軸 縱軸為電壓軸 操作頻率為1kHz 綠圈為轉態點

比較器的動作原理

步驟五 參考數位示波器使用手冊，使用XY水平模式製作Lissajous圖形，將CH2 Vout設定成Y軸，並將CH1 Vin設定成X軸，製作成輸入輸出轉移曲線(Transfer curve)。製作成投影片後根據OPA基本定義解釋其動作原理，並以箭頭標示出轉移曲線隨時間行進之方向、輸出電壓範圍、輸出轉態點。 當輸入電壓由負轉正時 轉移曲線為綠線 當輸入電壓由正轉負時 轉移曲線為藍線 輸出電壓範圍應為+5V~-5V間 實際輸出電壓範圍為+3.8V~-3.8V 上圖 橫軸為Vin軸 縱軸為電壓軸 黃色圈為輸出轉態點

步驟六 請討論步驟三PSPICE模擬結果與步驟四、五實驗結果之差異為何？原因為何？ A: 傳輸線會帶來多餘的並聯電容造成輸入訊號變小帶來實驗誤差,每個零件也 都會有些微的不同,這些也是造成實驗誤差的原因