電路創意/小組 66a
我們來自計算機系統學院，索非亞技術大學。我們 66 小組分為兩個小組，我們組成第一個小組 - 66a。以下是我們成員的姓名
Dafar Shaban, Dilyana Dilova, Irina Hadjieva, Miroslava Hristova, Victor Glavev, Alexandra Georgieva, Danail Dekov, Liliya Bancheva, Elina Lazarova, Mihaela Borisova, Tzvetan Tzvetkov, Hristiana Stancheva, Silviya Nakova, Nataliya Genova, Vasil Tzanov, Ivan Tzvetkov。
2008 年 3 月 18 日星期二，13.45 h
歡迎來到實驗室。白板上的圖片代表了你們小組65a的同事用於再現真實的歐姆實驗的實驗室設定。您可以使用他們實驗室實驗的結果來介紹下一個偉大的理念，稱為電壓圖。它將幫助我們視覺化同事沿電阻薄膜測量的電壓。
順便說一下，我們可以從眾所周知的液壓類比（管道）中推匯出這個理念，我們可以在周圍環境中隨處看到。例如，想象一個裝滿水的容器，它供應一根長而細的管道；讓我們先開啟管道。問題是：“管道內的壓力是多少？”更確切地說，“沿管道各處的區域性壓力是多少？”
我們可以透過在管道上等距離鑽小孔來了解（如果我們想更精確，我們可以垂直插入薄玻璃管作為區域性壓力計）。結果是可以預見的：所有水位（相應地，沿管道的所有區域性壓力）都相等。這張圖片顯示了沿管道的壓力分佈；我們可以將其稱為“壓力圖”。
現在開啟管道；水將開始流動。現在沿管道的區域性壓力是多少？在左側，壓力最大；在右側，壓力最小。我們的直覺表明，區域性壓力將從左到右逐漸降低。
實際上，水柱的高度（相應地，沿管道的區域性壓力）從左到右逐漸降低。壓力圖的包絡線是一個三角形。
現在讓我們應用這個強大的概念來繪製類似的電電壓圖。這個想法很明顯：如果我們將電壓看作一種壓力，我們可以用區域性電壓條來表示區域性電壓，就像我們用區域性水條來表示沿管道的區域性壓力一樣！與上面一樣，電壓條的長度與區域性電壓相對於地面的大小成正比（我們可以將零電壓電平設定為電阻器的高度，然後在電阻器電平之上繪製正電壓條，在電阻器電平之下繪製負電壓條）。這些電壓條的集合構成了整個電壓圖。為了簡化影像，我們可以使用電壓圖的包絡線來代替電壓條集合。
基本思想。但是，對於我們人類來說，在電路屬性（電壓和電阻）變化時繪製所有電壓圖太難太無聊了。因為這些圖不能是靜態的、死的圖片；它們必須是“動態”的圖（動畫），根據電路狀態進行改變。因此，我們需要一臺能夠“密切”觀察我們對被測電路的操作並根據情況在螢幕上構建“動態”電壓圖的計算機。然後，讓我們構建這樣一個基於計算機的系統，讓它來做這項苦差事：）。然後，我們只需要觀察螢幕上的圖片，思考其背後的電路現象！
元件。首先，我們需要一些計算機。它可以足夠簡陋，只要它有一些圖形功能（例如，在 1986 年用於構建 *Microlab* 系統的計算機是著名的 Apple II 的一個版本）。然後，我們只需要連線到 PC 匯流排幾個充當模擬輸入的模數轉換器 (ADC) 和幾個充當模擬輸入的模數轉換器 (ADC)，我們的基於計算機的系統 *Microlab* 就準備好了！
電源。注意，模數外圍裝置直接從可憐的計算機中“吸收”能量：）；因此，它不僅充當計算機，也為外圍裝置供電。那麼，我們也可以為電阻物件本身供電嗎？我們可以使用 DAC 為被測電阻供電嗎？這將使計算機能夠控制物件！只是 DAC 的運算放大器輸出可以提供最大 10 mA。因此，我們不能為 65a 組的低電阻（10 Ω）導線供電！
電阻器。你還記得來自上一個實驗室練習的線性 4.7 kΩ 可變電阻器嗎？據我記得，我們當時對其進行了“逆向工程”，將其拆解：) 我們現在要做什麼？建議一個解決方案！* 一個學生：是的，我記得...* 顯然，這位同事建議使用 DAC 的 10 mA 輸出為這樣的電阻器供電，沒有任何問題（計算最大電流）。因此，我們可以使用它來代替低電阻導線。然後，我們只為電阻器的一個端子供電。現在，讓我們使結構變得複雜，使其更加混亂：) 為兩個端子供電（我們懷疑這可能很有趣）。好吧，將 AO1 (DAC1) 連線到電阻器的右側，將 AO2 (DAC2) 連線到電阻器的左側。
電壓表。你認為是否應該連線兩個老式但迷人的雙極性電壓表 V1 和 V2 來觀察輸入電壓？或者只依靠抽象的數字 VOM 和螢幕上的數字測量？我明白了，你可能喜歡古老的儀表，因為它們是“活的”、“移動的”、“幾何的”、“空間的”、“真實的”... 人們信任這些真實的東西... 但是，由於這些“古董”具有 20 kΩ 的內部電阻，是否會存在任何問題？
接地。現在，讓我們也談談接地。但是什麼是接地？我們可以在 關於虛擬接地的維基百科文章 中找到一個可能的答案。簡而言之，接地是一個參考點，我們相對於它測量電壓。我們使用的 PC 電源是所謂的“分體式電源”。它由兩個串聯連線的 12 V 電源組成（- + >>> - +）。中間點在此配置中充當接地。DAC 的接地內部連線到此接地。我們還需要將電壓表的黑色測試端連線到此接地。
軟體。二十多年前，我編寫了一個程式，它可以將電壓圖視覺化為螢幕上的“動態”動畫。為此，該程式使計算機對三個關鍵點處的區域性電壓“感興趣”——左端點、滑塊中間點和右端點。然後，讓我們透過連線（首先）DAC1 的輸出到 ADC1 的輸入，以及 DAC2 的輸出到 ADC2 的輸入來滿足它的好奇心：)。
2008 年 4 月 1 日星期二，13:45
2008 年 4 月 15 日星期二，13:45
輸入。接地電壓源... 什麼是 *單端輸入*？浮動電壓源... 什麼是 *差分輸入*？為什麼要使用差分輸入？輸入電阻... 輸入電流是否流動？非反相輸入如何表現？反相輸入如何表現？我們可以將差分輸入運算放大器用作單端（反相或非反相）輸入運算放大器嗎？在這些情況下我們該怎麼做？
輸出。運算放大器輸出是如何產生的？互補推輓射極跟隨器的原理是什麼？輸出電阻...
供電。雙極性（分體式）供電的原理（此處為 +12 V 和 -12 V）... 為什麼需要雙極性供電？電流從哪裡流動？我們可以想象運算放大器的輸出部分由兩個部分組成——正極和負極。當其輸出電壓具有相應的極性時，它們中的每一個都會工作。順便說一句，是否可以使用單個（例如，正）電壓為運算放大器供電，同時獲得相反（負）輸出電壓？運算放大器輸出電壓是否可以超過供電電壓？也許，如果運算放大器內部有電容性或電感性微分電路，這是可能的... 但是（目前）運算放大器只包含電阻性和有源元件：)
增益。典型值為 A > 200000。這似乎太高了。我們能否利用所有這些增益？要使運算放大器保持在有效區域，最大輸入電壓是多少（假設最大輸出電壓為 10 V）？我們可以將裸運算放大器用作放大器嗎？或者我們可以將其用作具有模擬輸入和離散輸出的另一種有用裝置（在此處寫下它的名稱）？我們可以得出結論：如果我們將運算放大器用作放大器，則其輸入之間的電壓差為零。但是，如果我們將它用作 *比較器*，則輸入電壓可以是任何值。
傳遞特性。 Microlab 可以幫助我們在螢幕上獲得此曲線。此圖形表示中沒有時間；只有輸入和輸出量。我們可以從這條曲線上辨別出三個區域：負飽和區（大）、放大區（窄）和正飽和區（大）。
概括。 運算放大器到底做了什麼？一個可能的答案是：運算放大器將穩定的電源轉換成變化的電壓源；它充當電壓控制的電壓源。
驅動：保持恆定速度、方向、溫度、音量...更多負反饋類比：學習、教學、保持室溫（體重、心理平衡...）。在所有這些情況下，我們盡一切可能實現目標，朝著目標前進...
因此，最簡單的負反饋跟隨器僅由三個元件組成：電源（能量）源 E、調節元件 R 和減法器（-）。
這個簡單的裝置根據一個簡單的演算法執行：如果 X > Y，則增加 Y；如果 X < Y，則減小 Y；如果 X = Y，則什麼也不做。結果，始終 X = Y。所以，這是一個“主動複製”原理，這個裝置是一個“主動跟隨器”。這個“演算法”非常簡單，以至於簡單的裝置（電子管、電晶體、運算放大器...）在沒有智力的情況下也能執行它。
為什麼我們要用這種奇怪的方式製作跟隨器？這種“負反饋”方法有什麼優勢？
現在，我們只需要將這個強大的想法從現實生活中傳遞到電子學中。好吧，讓我們開始吧。
VIN 將代表我們電跟隨器中的 X；相應地，VOUT 將代表 Y。但讓我們先說服自己，為什麼在構建這樣的主動跟隨器而不是“無源”跟隨器？
最簡單的電壓跟隨器是什麼？當然，一段電線可以充當簡單的電壓跟隨器。如果沒有任何負載（沒有電流流動），它可以完美執行。只是，如果我們在電線末端連線一個大的負載（尤其是如果它是一根細而長的電線），它還是跟隨器嗎？想象一下，如果負載和電線的電阻發生變化會發生什麼...例如，電線長度會發生變化...
無源電壓跟隨器的另一個討厭的問題是負載從輸入電壓源消耗能量；因此，在負載時會下降。
不，裸線並非所有情況下都是完美的跟隨器；因此，構建一個主動的負反饋跟隨器是值得的...
首先，我們連線一個電源 - 一個電壓源 V 代表框圖中的電源 E。我們假設一個雙極性輸入電壓；因此，我們獲得一個雙極性（分隔）電源。然後，我們連線一個充當調節元件 R 的運算放大器 OA。最後，我們需要一個電壓減法器，讓運算放大器將其輸出電壓 VOUT 與輸入電壓 VIN 進行比較。最簡單的電壓減法器是什麼？當然，根據基爾霍夫電壓定律（KVL），它就是裸環路（一段電線）。換句話說，我們必須將兩個電壓源串聯起來，並以相反的方向（+ -，- +）遍歷環路，以便減去它們的電壓。然後，我們必須切斷環路，並透過電壓差向運算放大器輸入供電。
我們是人類，不是電腦...這看起來很奇怪，但為了理解抽象的運算放大器在這個電路中到底做了什麼，我們必須將運算放大器視為一個“思維緩慢”的裝置，而不是一個快速、無慣性、瞬時的裝置...從人類的角度來看，運算放大器不斷地將它的輸出電壓 VOUT 與輸入電壓 VIN 進行比較，並將 VOUT 更改為正確的方向，以便保持幾乎為零的差值 VOUT - VIN = 0。它所做的與我們在上面所有類比中所做的事情完全相同。
在這個電路中電流在何處流動？在兩種情況下（正輸入電壓和負輸入電壓）用整個環路繪製它們。記住：電流總是從它流出的地方到達該點。另一個提示：在兩種情況下（正輸入電壓和負輸入電壓），負載電流將流過不同的電源（相應地，流過正電壓源和負電壓源）。還可以想象運算放大器內部的互補輸出射極跟隨器：當運算放大器“想要”產生一個正電壓時，上方的 n-p-n 電晶體將“吹出”輸出電流，而當運算放大器“想要”產生一個負電壓時，下方的 p-n-p 電晶體將“吸入”輸出電流。
現在讓我們用各種干擾“激怒”我們的運算放大器，看看它將如何反應:) 首先，我們可以引入並改變線路電阻。然後，我們可以改變負載電阻。最後，我們可以同時改變這兩個電阻。如果我們足夠好奇，我們也可以改變電源的電壓（一個、另一個和兩個）。
輸出電阻。 我們可以說我們已經實現了電子工程師的永恆夢想 - 構建一個變化的完美電壓源:)嗎？我們可以將運算放大器跟隨器視為一個（幾乎）理想的電壓源嗎？
結論：在電子學中，我們透過應用負反饋來製造理想的裝置。
二極體是雙端半導體元件，其特點是在正向電壓下允許電流透過，但在反向電壓下不允許電流透過。因此，二極體代表閥門的動作，過去就被稱為閥門。但是，二極體需要一點（大約 0.5-0.7V）電壓推動才能使電流自由流動。結果是微不足道但明顯的電壓降 - VF。這種電壓降是有益還是有害？有時它是有益的；有時它是有害的...
“有用”的例子。當我們製造穩壓器時，我們需要這種電壓降。在這些情況下，我們會盡一切努力來創造和增加出現在各種二極體元件上的這種有用的電壓降：二極體、LED、齊納二極體、串聯連線的多個二極體...
“有害”的例子。在其他情況下，當我們使用二極體作為開關元件時，我們會盡一切努力消除這種有害的電壓降... 然後我們需要一個沒有正向電壓降 VF 的理想二極體...
整流器是一種將交流電轉換為直流電的元件。整流器是電子電源和電池充電電路的基礎。此外，它們用於訊號處理以解調無線電訊號，以及在電子電壓表中將交流電精確轉換為直流電壓。但是，請記住二極體允許電流在一個（正）方向流動，但在另一個（負）方向流動，我們可以很容易地使用術語“整流器”來命名二極體。
因此，讓我們讓二極體充當整流器，從而參與半波整流器電路（電路圖顯示在左側）。我們有一個正弦波源（用於實驗它為 1V）和一個電阻性負載。
當源電壓為正時，二極體處於所謂的正向偏置區域。如果二極體是理想的，源電壓將出現在負載兩端。但是，我們擁有的二極體不是理想的；所以它會產生一個與二極體的推動電壓相等的電壓降（大約 0.5 - 0.7V）。因此，在正半波期間，輸出電壓小於源電壓（對於我們的示例，它將為 VL = VS - VF = 1 - 0.7 = 0.3V。結果顯示在右側的圖表中。
在正弦電壓的負半波期間，二極體處於反向偏置區域，沒有電流流過負載。因此，只有正半周導致負載，這使得二極體適合用作整流器。
（在這裡描述你日常生活中所有你已經消除所有阻礙你前進的障礙的情況：） Circuit-fantasist (talk) 08:22, 8 May 2008 (UTC)
什麼可以充當我們電子電路中的可變電壓源？什麼可以“幫助”不完美的二極體，透過向輸入電壓新增與它在二極體上損失的電壓一樣多的電壓來“幫助”它？最後，我們在實驗室 3中使用電晶體來達到這個目的；現在，為了改變，讓我們使用運算放大器...
現在運算放大器必須將“幫助”電壓 VF 插入電路；那麼，如何連線它呢？
尤里卡！我們發明了一個（幾乎）理想的二極體，沒有（任何）正向電壓 VF！讓我們透過Microlab系統對其進行研究。
首先，讓我們回顧一下什麼是運算放大器（運算放大器）：它是一種具有差分輸入的器件（它可能是電流、電壓、機械運動?!?Circuit-fantasist (talk) 18:09, 7 May 2008 (UTC)，等等），輸出根據輸入而變化，但幅度更大。幾乎總是它們與負反饋一起使用（輸出訊號以與源訊號相反的方向返回到輸入）。但是，它們也可以與正反饋一起使用（返回的輸出訊號與輸入原始訊號相加），但非常少見。對於負反饋電路中的理想 OA，網路將輸出的一部分返回到反相輸入，從而使差分輸入電壓趨於零。
那麼現在讓我們回到我們的實驗。我們試圖做的是用運算放大器補償真實二極體上的有害正向電壓降。但這難道不是這種嘗試的結果嗎？
我們有一個源電壓 Vin，在名為“1”的點上我們將擁有該電壓。但是，如果我們想補償二極體上的電壓降，我們應該使用一個運算放大器，它的輸出電壓等於源電壓加上等於該電壓降的附加量。這將是我們將在“2”點處得到的電壓。如果這種增加的電壓應用於二極體之前，二極體後的電壓將與我們的初始源電壓相同，這就是我們在“3”點處得到的電壓。這正是我們的目的！
奇怪的東西可以放進反饋迴路 一個歡快的動畫故事（根據 Tom Hayes 的 電子學藝術學生手冊）。