“模擬電子技術基礎”中的運算放大器教學改革

姚福安，徐向華

(山東大學控制科學與工程學院，山東濟南 250061)

運算放大器是“模擬電子技術基礎”課程中重要的內容，掌握好運算放大器件及其應用是學生具備的能力。但教師因受到教學學時的限制，在講解運放內容時往往把各種類型的運放進行理想化處理。但是，學生在遇到實際工程問題時，對運算放大器的參數特性理解不透，往往無法正確設計電路并合理選擇放大器中的器件。為此，我們在教學過程中采取淡化運放內部電路的分析，突出運放的外特性，加強對其主要參數的理解，將常用的典型集成運算放大器引入到課堂中，將理想模型與實際工程相結合等措施。

1 運算放大器的等效電路模型

目前國內教材關于運放教學內容的編排一般是先介紹差動放大器，然后介紹一種通用型集成運放內部電路，再介紹運放的主要參數，最后講述運放的應用［1-4］。

由于運放內部電路復雜，如果從工程應用的角度出發(fā)，完全可以把運放看做一個和三極管器件一樣的普通電子器件，只是和三極管器件的電路模型不同而已。所以我們在講解完基本放大器、差動放大器、功率放大器等基本單元電路后，通過集成電路的概念，直接引出運放器件，不再具體分析內部電路的工作原理。我們只是強調運放的特點，例如輸入級的對稱性、高輸入阻抗、前后級之間的直接耦合和輸出級的低阻抗等特性。然后直接給出集成運放的等效電路模型，如圖1所示。在這里要強調運放是雙端輸入器件，與單端放大器的區(qū)別，強調模型中差模電壓放大倍數Aod的含義。對于理想的運放，可得出A0d=∞，rid=∞，r0=0結論。

圖1 運算放大器的等效電路

我們可讓學生思考如下問題:如果對電壓信號進行放大，僅采用運放能夠實現嗎?若不能，采用什么措施?這就讓學生建立起運放有兩種工作狀態(tài)，即線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)這個重要的概念。如果讓運放工作在線性狀態(tài)，必須給運放外部引入負反饋回路，這時很自然的引出運放的虛短和虛斷概念，為以后的分析問題打下堅實的基礎。

2 運算放大器參數與電路結合

集成運放的參數指標多，如果將每項參數指標羅列一起講解，學生很難理解這些參數指標的物理意義。筆者認為，只有讓學生深刻理解運放的一些重要的參數指標，才能保證學生正確使用運放的器件。學生如果能夠正確理解輸入失調電壓、輸入失調電流、溫度漂移、單位增益帶寬、轉換速率和等效輸入噪聲等參數，將會在今后的工程應用中起到重要作用。

我們的做法是，在引入運放的虛短和虛斷概念后，通過運放構成圖2所示的同相比例運算電路來分析其輸出與輸入的關系，很容易得到u0=(1+Rf/R1)ui的表達式。顯然，這是由運放理想模型得出的。然后提出問題:對于實際的運放電路，將輸入電壓接地，輸出電壓等于零嗎?得到的答案是輸出肯定不會等于零，那么該輸出電壓的是如何產生的呢?此時我們告訴學生運放的輸入端存在輸入失調電壓、輸入偏置電流和輸入失調電流等概念。如果強調運放的這些參數會產生直流運算誤差，那么如何消除這些誤差呢?答案是一般運放都具有外接調零電阻的調零端子，可通過內部調零或采用外部凋零電路來消除直流誤差。

圖2 同相比例運算電路

我們可以進一步引導學生思考如下問題:如果溫度變化時，輸入失調電壓、輸入失調電流將如何變化?這些受溫度影響而使輸出電壓產生的變化能否通過調零電路消除?此時學生對運放的溫度漂移參數將很容易理解，對什么是高精度運放也有了正確的認識。

我們也可以通過讓學生思考該電路能否放大交流信號為切入點，很容易引出運放的帶寬和增益帶寬積等交流參數。如果將電路連接成電壓跟隨器，在輸入端加入方波信號時，提問學生觀察到輸出信號是什么波形?從而引出運放的轉換速率參數，進一步推導出運放在大信號輸出狀態(tài)下，不失真輸出電壓幅值與最高頻率、轉換速率之間的關系式。對于學生比較容易理解的運放其它性能參數，教師可直接講解即可。

3 不同型號運算放大器的區(qū)別

我們在對運放主要參數指標介紹完后，應列舉出幾款典型的集成運放的參數，比較它們的差異，讓學生理解它們各自的特點，掌握它們各自的應用場合。關于這點，一般國外教材都是采用如上處理的，然而國內教材很少給出實際運放的參數指標并做對比。為此，我們選擇了通用型運放μA741、高輸入電阻型運放OPA134、高精度型運放 OPA335、高速型運放OPA842、低功耗型運放TLV2460和高壓大電流型運放OPA548，突出講解它們各自的特點，分別應用在什么場合等。最后還簡單介紹目前出現的一些新型運放。

4 直流通路與交流通路的作用

在“模擬電子技術基礎”課程關于放大器內容講解時，為了保證放大器正常的工作，必須要求電子電路有合適的直流通路和交流通路。對于這個概念，我們在講授三極管和場效應管器件組成的放大電路時均做了重點介紹。但對于集成運放組成的放大電路目前教材中對于靜態(tài)和動態(tài)概念強調得不夠，致使學生在分析運放組成的交流放大器時往往會出現錯誤。例如運放采用正、負對稱的電源供電時和采用單電源供電時組成音頻信號放大器，其電路結構有什么不一樣呢?如果學生能正確理解運放設置直流通路(建立合適的靜態(tài)工作點)和交流通路的方法和目的，對于圖3所示的單電源條件下運放構成前置音頻信號放大電路的工作原理將很容易理解。

圖3 單電源下的交流放大器

在圖3所示電路中，為了減少輸出信號的失真和得到大的輸出信號的動態(tài)范圍，一般靜態(tài)時將運放的輸出設置在(1/2)UCC處，其放大器的直流通路如圖4所示。當加入音頻信號ui后，該放大器的交流通路如圖5所示，其交流放大倍數為Avf=u0/ui=1+(Rf/R1)。

圖4 放大器的直流通路

圖5 放大器的交流通路

圖3中電容C1、C2、C3是耦合電容，它們將影響放大器的下限頻率fL，那么該放大器的上限頻率fH將受什么因素影響呢?這時學生很容易聯想到運放的增益帶寬積和轉換速率等指標。

5 結語

以上關于運放內容的教學改革經過2010級和2011級自動化卓越工程師班的實踐，效果非常顯著。其結果是加強了前后知識體系的聯系，疏理了電子技術的系統性;培養(yǎng)了學生的工程觀點，增強了對集成運放的理解，改變了學生對于真實器件符號化和理想化的認識;而且培養(yǎng)了學生的自學能力，使他們在設計電路時，首先查閱集成運放型號及參數的良好習慣［5-7］。

下一步我們準備繼續(xù)探討課堂教學與實驗教學如何有機的結合、“模擬電子技術基礎”課程中的理想器件模型與真實器件如何相結合及理論典型電路與實際工程中應用的電路如何相結合等問題，繼續(xù)擴大該課程的改革范圍。

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2001

［2］王濟浩，模擬電子技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［3］孫肖子等.模擬電子技術基礎［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2001

［4］傅豐林，陳健.低頻電子線路［M］.北京:高等教育出版社，2008

［5］姚福安，周長森等.建設電子設計立體化教學平臺［J］.上海:實驗室研究與探索，2006，Vol.25 No.6，pp.688-691

［6］陳亦文，涂娟.基于工程背景的“模擬電子技術”課程教學模式［J］.南京:電氣電子教學學報，2012，6.Vol.34 No.3，pp.46-47

［7］張士文等.工程實踐與科技創(chuàng)新系列課程的實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2012，6.Vol.34 No.3，pp.61-63