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釜历
4 years ago
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1 實驗一運算放大器的應用電路實驗目的應用運算放大器製作濾波器與光偵測器並了解其動作原理實驗儀器免焊萬用電路板數位式三用電錶直流電源供應器示波器訊號產生器接線及香蕉插座零件盒各一光二極體 LED 光敏電阻電容及電阻若干預習問題 1. 請問 db 的定義? 何謂波德圖 (Bode plot)? 2. 程序 < 二 > 中之高通濾波器, 請參閱補充資料計算出 (1) 在很高頻時, =? 輸入輸出相位差如何?(2)f 3dB =? 在這個頻率 =? 輸入輸出相位差如何?(3) 當頻率遠比 f 3dB 低時, 其在 Bode Plot 中上升的斜率應該是多少? 輸入輸出相位差如何? 3. 加分題 : 模擬找出預習問題 2 的答案 ( 包含低通濾波器 ) 4. 證明 eq. 1.1 並計算光二極體在 850nm,Resp. 為 0.45A/W, 對應的量子效率為多大? 在 460nm 時 Resp. 為 0.2A/W, 對應的量子效率又為多大? 這題你可以參考我們使用的光二極體廠商的網頁實驗原理實際 741 的接法可參閱補充資料及元件資料, 基本你所需要知道的事情如下 : DIP [dual-in-line] 包裝的 IC 可以很自然地插入麵包板, 您絕對不需要對它的腳 [pin] 做矯正手術 ( 小心他從麵包板上跳起來!) 圖 1.1 第一次接觸 IC 的同學請注意接腳的編號順序您在使用 Op-Amp 前, 必須加上電源 ± Vcc 如圖 1.1 這裏 Vcc 為 15Volts 接腳 1 和 5 為歸零用, 本實驗暫不用所有外部電路接好後再開電源 [±Vcc]; 要拆線路前亦先關電源實驗步驟 < 一 > 有源 (active) 低通濾波器 : 圖 1.2 為利用 OP Amp. 所設計的簡單有源低通濾波器記得 OP Amp. 要接 ±15V 電源 - 1 -

1. V in 用振幅為 1V 正弦波輸入, 頻率由 100Hz 掃到 100kHz, 在 100, 200, 400, 700,1k, 2k, 4k, 7k, 10k, 20k, 40k,70k 及 100kHz 頻率, 測量 V out 之大小及 V out 和 V in 之間的相位差, 畫出 Bode Plot( 包括用

將輸出 (Vout) 接到如圖 1.3 所示的電路 ( 隨耦器串聯 51Ω 圖 1.3 的小喇叭 ), 聽聽看不同頻率的聲音音量跟頻率是呈現何種關係? 當頻率調到大概聽不到時, 將訊號產生器的輸出直接接到 Vout 點上, 檢查是否仍聽不到聲音? 為什麼?

4 這一個實驗步驟, 電路都裝置在一個特製的金屬盒內, 用以阻擋外界光線, 以及雜訊金屬盒並附有兩組博士端子 ( 可接香蕉插頭 ), 用來接直流電源, 以及 4 個 BNC 接頭 ( 有兩個是 shielding 接機殼的, 有兩個是 shielding 不接機殼的 ), 用來接訊號下面照片即此金屬盒之正面反面及內部的寫真

2 1. V in 用振幅為 1V 正弦波輸入, 頻率由 100Hz 掃到 100kHz, 在 100, 200, 400, 700,1k, 2k, 4k, 7k, 10k, 20k, 40k,70k 及 100kHz 頻率, 測量 V out 之大小及 V out 和 V in 之間的相位差, 畫出 Bode Plot( 包括用 db 表示, 之相位用 " 度 " 表示, 橫軸為 log f) 2. 此濾波器之 -3dB 頻率 (f 3dB 或簡寫為 f 3dB ) 為何? 在 f 3dB 時,V out 和 V in 之相位差為多少? 圖 1.2 Note: 在 f 3dB 時, =0.707, 另外探針使用 10 檔位並事先校正 51Ω 3. 將輸出 (Vout) 接到如圖 1.3 所示的電路 ( 隨耦器串聯 51Ω 圖 1.3 的小喇叭 ), 聽聽看不同頻率的聲音音量跟頻率是呈現何種關係? 當頻率調到大概聽不到時, 將訊號產生器的輸出直接接到 Vout 點上, 檢查是否仍聽不到聲音? 為什麼? 輸出如有雜訊, 請在 ±15V 電源與接地之間分別接上 47μF 的電容, 注意電容極性別插錯了! < 二 > 有源高通濾波器 : 1. 右側電路為利用 OP Amp. 所設計的簡單有源高通濾波器 2. 接妥圖 1.4 電路, 重複上一個程序中之步驟 1,2,3 < 三 > 光偵測電路圖 1.4 這一個實驗步驟, 電路都裝置在一個特製的金屬盒內, 用以阻擋外界光線, 以及雜訊金屬盒並附有兩組博士端子 ( 可接香蕉插頭 ), 用來接直流電源, 以及 4 個 BNC 接頭 ( 有兩個是 shielding 接機殼的, 有兩個是 shielding 不接機殼的 ), 用來接訊號下面照片即此金屬盒之正面反面及內部的寫真內部有一小型麵包板直流電源及接地請先接到麵包板兩側之插孔, 再另外用線接入元件內部接線假如有正負端的請絞在一起 ( 如圖 1.5) 圖 1.5 本實驗所使用金屬盒之照片第一部份光敏電阻 (light-sensitive resistor) 這是最簡單測試光強度的電路, 用的是電子街即可購得的光敏電阻, 他是用 CdS( 硫化鎘 ) 做的沒有照光時, 電阻約幾百 kω, 照光時電阻減小, 最小可達幾百 Ω 利用電阻對照光 - 2 -

3 強度的關係, 我們可以設計出下面的測試電路圖在使用光敏電阻前, 我們先要簡單的測試一下他的電阻對光的反應光源就利用一個紅光 LED, 串聯一個精密 1kΩ 電阻, 如圖 1.6 之光源部分, 測量 V sense ( 接 BNC 接頭 ) 即可得知通過 LED 的電流光敏電阻 ( 接 BNC 接頭,shielding 無接機殼的 ) 則直接用電表的電阻檔測量電阻 LED 靠近並對準光敏電阻 V in 則接直流電源供應器將金屬盒子蓋好調整 V in, 使得通過 LED 的電流分別為 0 0.1mA 1mA 2mA 3mA 4mA 5mA, 測量光敏電阻的電阻變化, 記錄對應不同電流的電阻及 V in 2. 現在要測試我們的光偵測電路了圖 1.6 之光偵測電路部分,R 用 470kΩ 電阻 ( 大約是光敏電阻沒照光時候的值 ),V out 接示波器光源部分的 V in 則改接訊號產生器, 波形調成如圖 1.6 中所示, 為一 0 到 V p 間之方波, 週期約為 5ms 調整 V p 使得 LED 導通時的電流為 0.1mA, 這裡要用示波器觀察 V sense 的波形決定電流大小記錄 V out 的訊號, 示波器用 AC couple 來觀察再調整 V p 使得 LED 導通時的電流為 5mA, 再觀察 V out 3. 將紅光 LED 分別換為藍光 LED 和紅外線 LED, 重複上面 1 和 2 的實驗比較一下, 不同波段的光源, 結果一不一樣第二部分光二極體 (photodiode) 當光的強度較小時, 或實驗需要較定量的數據時, 光敏電阻就不太適用一般是使用所謂的光二極體光二極體受到光的照射會產生光電流或光電壓, 這和外接電路有關, 如圖 1.7 說明, 這裡要特別注意光電流的方向和光電壓的極性使用時也分兩種模式, 一是光電流 (photoamperic) 模式, 一是光電壓 (photovoltaic) 模式, 前者光二極體兩個接腳保持零偏壓或逆向偏壓, 後者則保持開路前者適合亮度小的光偵測, 後者僅適合較大亮度的光光電壓效應也用在太陽電池 (solar cell), 也稱為 PV cell (photovoltaic cell) - 3 -

4 圖 1.7 這個實驗我們主要介紹由運算放大器所組成的光電流偵測電路另外特別注意, 實驗用的光二極體很貴, 小心使用, 千萬不要將他從 IC 插座中拔出, 他的接腳很脆弱實驗中我們用的光二極體是英國 Centronic 的 OSD15-5T silicon photodiode, 面積為 15mm 2, 藍光的響應 (response) 較一般的光二極體強他響應 Resp. 最大的波長是在 850nm, 為紅外線, 約為 0.45A/W, 即照射 1mW 的 850nm 光可得到 0.45mA 的光電流到 460nm 波長的藍光, 響應則減小到 0.2A/W 他的響應對波長曲線可以看參考資料中光二極體的參考資料第 11 頁的 Fig.29 另一個我們有興趣的參數叫做量子效率(quantum efficiency)η, 定義做入射一個光子可以獲得之光電子, 可以由響應 Resp. 求得 : η h R. eq. 1.1 其中 h 是菩朗克常數 (Plank constant),f 是光的頻率,e 是基本電荷由 eq. 1.1 可以看出, 對應相同的量子效率 η, 響應 Resp. 和光的頻率成反比光電流偵測電路基本是一個利用運算放大器接成的電流電壓轉換電路, 或 CCVS (current-controlled voltage source) 電路如下圖 1.8 先不要看電容, 即考慮直流的行為運算放大器的負端為虛擬接地, 電位為 0, 光電流 I ph 流經 R f, 輸出電壓 V out =-R f I ph, 當光電流很小時需要很大的 R f 圖 1.8 圖 1.8 中光二極體旁並聯的電容 C s 為其本身的等效並聯電容 ( 在無偏壓時的值 ), 在高頻時對電路有很大的影響, 會造成電流放大器不穩定一般解決的方法是在 R f 並聯一電容 C f 假如實驗中假如測得 op amp 的輸出發生不預期的高頻振盪, 你只要在 R f 並聯一約 100pF 的陶瓷電容即可光電流偵測電路所使用的 op amp 要選擇輸入端漏電流 ( 或偏壓電流 ) 很小的, 一般是用 JFET input op amp 這裡你不必管這麼多, 我們選用的 LF411 輸入的漏電流約為 50pA, 遠小於 ua741 的 100nA 數量級注意 :LF411 對靜電很敏感, 很容易被靜電燒掉, 拿他時請用首先碰一下儀器 ( 例如示波器 ) 的金屬外殼閱讀 OSD15-5T 的基本資料, 說明如何判斷他的正負極他的逆向偏壓最大限制為多 - 4 -

5 大? 1. 在金屬盒中接成圖 1.6 的電路 ( 記好要留位置給 LED 光源 ),op amp 用 LF411,R f 先用精密 100kΩ 在電路的輸出再接一個用 op amp ua741 接成的反相電壓放大器, 增益為 -10, 電路可以參考物理實驗 ( 三 ) 運算放大器的使用方法中反相放大器的電路最後的輸出再接到 BNC 接頭接上正負電源, 檢視線路是否振盪, 若有振盪則依上面說明加上 100pF 的 C f 2. LED 光源的接法和上面第一部份的步驟 2 一樣, 這裡先用紅光 LED 調整 Vp 使得 LED 導通時的電流分別為 0.1mA 及 1mA, 觀察光偵測電路放大器的輸出訊號估計一下偵測到多少光功率的訊號 ( 你必須參考參考資料中偵測器的資料 ) 3. 圖 1.6 電路中的 R f 換為 1MΩ, 先檢查電路有無振盪 LED 光源電路中串聯的電阻改為精密 100kΩ, 調整 Vp 使得 LED 導通時的電流為 10μA, 觀察光偵測電路放大器的輸出訊號 ( 用示波器的 AC 檔 ) 將 Vp 繼續調小, 到多小的電流, 光偵測電路才偵測不到光訊號? 估計你的電路可以偵測到的最小的光功率 4. LED 光源分別換用藍光及紅外線的 LED, 重複步驟 3 比較一下, 不同波段的光源, 結果一不一樣 5. 順便用所設計的光偵測器電路找出日光燈的閃爍頻率有多少? 數據分析與思考問題 1. 整理每一步驟的數據結果, 並和理論值比較回答步驟中的問題 2. 由程序 < 一 > 所得的 Bode Plot, 在 f 3dB 以上的部份, 輸出振幅以何斜率 (db/dec) 衰減? 你所得的 f 3dB 和理論值相符嗎? 相位呢? 3. 由程序 < 二 > 所得的 Bode Plot, 在 f 3dB 以下的部份, 輸出振幅以何斜率 (db/dec) 衰減? 你所得的 f 3dB 和理論值相符嗎? 相位呢? 4. 請根據程序 < 三 > 第二部分的結果, 以及你能夠在資料獲得的光二極體的資料, 估計你所使用的 LED 的量子效率 LED 的量子效率定義為通過 LED 一個電子的電量所發射出的光子數 102/2-5 -

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Microsoft Word - 1.docx 實驗一運算放大器的應用電路實驗目的應用運算放大器製作濾波器光偵測器比較器與史密特觸發器電路並了解其動作原理實驗儀器免焊萬用電路板數位式三用電錶直流電源供應器示波器訊號產生器接線及香蕉插座零件盒各一 741 411 光二極體 LED 光敏電阻電容及電阻若干預習問題 1. 請問 db 的定義? 何謂波德圖 (Bode plot)? 2. 步驟 < 一 > 中之低通濾波器,(1) 在很低頻時,