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來源：DigiKey 作者： Mark Thoren, Systems Engineer Analog Devices, Inc. 典型基于實驗的《電子工程基礎》課一般是從最基礎的知識開始的：先講授電阻器、電容器、電感器、二極管，以及如何使用基爾霍夫定律分析基本電路。針對這些主題的實驗通常用到一個兩極對立的器件：福禍相依，愛恨交織；既是電子探索的無限樂園，也是電子工程專業學生的噩夢。這個神奇而又可怕的器件是什么呢？就是無焊面包板。 關于無焊面包板，我們在此不做過多贅述，只想說它們絕對有其用武之地，而且不會很快消失。對于了解電子元件的實際感覺、構建最初的幾條電路（同時允許元件重復使用）以及在電子設備上實現 "Hello, World!" 的效果，無焊面包板無疑是非常有用的。- 點亮 LED 燈（別忘了串聯電阻！）。但是，在最初的幾個只有 3、4、5 或 6 個元件的電路（如圖 1 所示的 2 階低通濾波器1）之后，出現連接錯誤、短路、開路以及最糟糕的間歇性連接的概率會就會急劇上升。 
圖 1.典型的“簡易”面包板電路。（圖片來源：Analog Devices） 隨著電路復雜性和元件數量的增加，到某個決策點時，面包板變得不切實際2，生產電路板在技術上變得必不可少，且在經濟上也變得可行。得益于豐富多樣的低成本、免費、開源布局軟件，再加上低成本的電路板制造商，這一決策點的復雜程度已經變得相當低。現在，只需觀看幾段教學視頻，下載一個免費的布局設計軟件，設計一塊電路板，一周后就能郵寄到手，而且價格僅為區區幾美元。這對教育工作者和學生來說都是一個機遇，因此讓我們跳過任何思想實驗，舉一個真實的例子。 在分壓器、簡單 RC 濾波器、二極管和一兩個晶體管放大器等最基本的電路之后，學生經常接觸到的下一個元件是運算放大器，或稱“運放”。運算放大器（純模擬）是一種用途極廣的元件。即使到了 2023 年，隨著人們開始關注人工智能 (AI)、計算機科學、數字這個、軟件那個，也總會有來自物理世界的小信號需要放大，弱信號需要增強，通常通過驅動模數轉換器 (ADC)，然后信號就完全進入數字領域了。反之亦然，來自數字世界的信號要轉換為模擬信號，經過放大后傳遞到無線電發射器、揚聲器、耳塞或顯示器，最終給人類使用（絕對要是模擬信號）。 學生要制作的最初幾個運算放大器電路并不復雜，由運算放大器本身、電源旁路電容器（別忘了這些！）和一些決定功能的無源元件組成。實例包括： 電壓跟隨器/統一增益緩沖器 增益為 -1 （模擬反相器） 增益為 +2 其他反相和非反相增益 差分放大器 積分器（和低通濾波器） 微分器（和高通濾波器） 這些電路中的任何一個都可以在面包板上搭建，而且成功的概率很高。但如果考慮所有電路，考慮某個下午實驗課上的所有學生，那就會遇到挫折，最壞的情況是運算放大器冒出魔法煙霧3。 圖 2 中的電路（零件清單在此）設計用于測試、測量和探索所有這些配置，成功率為 100%，總成本僅為幾美元。此外，配置是通過跳線選擇的，學生可以輕松地在不同功能之間切換，從而更快地建立直覺——例如，在反相增益和非反相增益之間來回切換，或者在微分器和積分器之間來回切換。
圖 2a.運算放大器實驗板 Kicad 原理圖。（圖片來源：Analog Devices）
圖 2b.用于仿真的運算放大器實驗板 LTspice 原理圖（圖片來源：Analog Devices）
圖 2c.運算放大器實驗電路板。（圖片來源：Analog Devices） 該電路板可容納多種運算放大器類型，并可通過在電路板上安裝插座來更換單個器件。單運放和雙運放均具有標準的 8 引腳布局。單運放的額外引腳具有多種功能，最常見的是通過電位計進行偏移調整，電位計的刮片與其中一個電源軌相連；該功能完全支持。中央 SIP 插座可容納 Analog Devices 提供的主動學習練習中所述的分立晶體管運算放大器。 在進入工作臺之前，最好先在紙上完成電路設計，根據所選元件計算出預期行為。在輸入所有元件值后，我們將提供 LTspice 仿真，為預測電路行為提供另一種方法，包括瞬態（時域）和交流（頻域）響應4。 最后，讓我們打開電源開關，看看電路在現實世界中的表現。在這里，我們將使用 Analog Device 的 ADALM2000，但該電路板可與幾乎所有的雙極臺式電源、信號發生器和示波器以及像 Red Pitaya 的 STEMlab 板這樣的其他多功能測試儀器配合使用。 我們將從 ADALP2000 零件套件中的 OP97 放大器開始，其供電范圍非常寬，從 ±2.25 V 到 ±20 V，而 ADALM2000 的電源輸出也相應設置為 ±5 V。我們將在電路板上配置一個更有趣的電路，即差分放大器，并在非反相輸入端施加 1 kHz、1 Vp-p 正弦波，在反相輸入端施加 100 Hz、1 V 鋸齒波。如圖 3a（LTspice 仿真）和圖 3b（測量結果）所示，通過這種波形，我們可以清楚地觀察到反相輸入端的極性反轉。通道 1（橙色）是運算放大器的輸出，通道 2 是電路的反相輸入。
圖 3a.差分放大器 LTspice 仿真。（圖片來源：Analog Devices）
圖 3b.差分放大器測量結果。（圖片來源：Analog Devices） 其他幾個練習的完整說明發布在針對 ADALM2000 的運算放大器實驗板 和針對 Red Pitaya STEMlab 的運算放大器實驗實踐課程（點擊鏈接中的箭頭查看詳細設置）鏈接中。所有電路板設計文件（KiCAD 格式）和 Gerber 文件均根據知識共享 BY-SA 許可條款發布；鏈接為相關練習頁面。 現在電路已經啟動并運行，學生（或想復習一下的工程師）就可以在其他配置之間來回切換，探索遵守所有規則時的預期行為。同樣重要的是，也可探索違反這些規則時的限制，如輸出削波、輸入共模范圍、帶寬限制，以及使模擬電子技術如此有趣的無數其他微妙之處，而且不必擔心將原理圖轉換為面包板連接時的錯誤、短路、開路或連接松動。以后無論是在大學實驗室還是在現實生活中，都會有很多這樣的機會。 腳注： 1 - https://wiki.analog.com/universi ... s-lab-active-filter 2 - 顯然這位工程師沒有收到這份備忘錄：https://eater.net/8bit/ 3 - 參見：https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke 4 - 作者對于是先進行手工計算、仿真還是先進行臺架測試更好沒有任何意見。無論如何，現實世界中的大多數開發和調試都是在這三者之間以不同順序反復進行的。 |
