“模拟电子技术基础”中的运算放大器教学改革

姚福安，徐向华

(山东大学控制科学与工程学院，山东济南 250061)

运算放大器是“模拟电子技术基础”课程中重要的内容，掌握好运算放大器件及其应用是学生具备的能力。但教师因受到教学学时的限制，在讲解运放内容时往往把各种类型的运放进行理想化处理。但是，学生在遇到实际工程问题时，对运算放大器的参数特性理解不透，往往无法正确设计电路并合理选择放大器中的器件。为此，我们在教学过程中采取淡化运放内部电路的分析，突出运放的外特性，加强对其主要参数的理解，将常用的典型集成运算放大器引入到课堂中，将理想模型与实际工程相结合等措施。

1 运算放大器的等效电路模型

目前国内教材关于运放教学内容的编排一般是先介绍差动放大器，然后介绍一种通用型集成运放内部电路，再介绍运放的主要参数，最后讲述运放的应用［1-4］。

由于运放内部电路复杂，如果从工程应用的角度出发，完全可以把运放看做一个和三极管器件一样的普通电子器件，只是和三极管器件的电路模型不同而已。所以我们在讲解完基本放大器、差动放大器、功率放大器等基本单元电路后，通过集成电路的概念，直接引出运放器件，不再具体分析内部电路的工作原理。我们只是强调运放的特点，例如输入级的对称性、高输入阻抗、前后级之间的直接耦合和输出级的低阻抗等特性。然后直接给出集成运放的等效电路模型，如图1所示。在这里要强调运放是双端输入器件，与单端放大器的区别，强调模型中差模电压放大倍数Aod的含义。对于理想的运放，可得出A0d=∞，rid=∞，r0=0结论。

图1 运算放大器的等效电路

我们可让学生思考如下问题:如果对电压信号进行放大，仅采用运放能够实现吗?若不能，采用什么措施?这就让学生建立起运放有两种工作状态，即线性状态和非线性状态这个重要的概念。如果让运放工作在线性状态，必须给运放外部引入负反馈回路，这时很自然的引出运放的虚短和虚断概念，为以后的分析问题打下坚实的基础。

2 运算放大器参数与电路结合

集成运放的参数指标多，如果将每项参数指标罗列一起讲解，学生很难理解这些参数指标的物理意义。笔者认为，只有让学生深刻理解运放的一些重要的参数指标，才能保证学生正确使用运放的器件。学生如果能够正确理解输入失调电压、输入失调电流、温度漂移、单位增益带宽、转换速率和等效输入噪声等参数，将会在今后的工程应用中起到重要作用。

我们的做法是，在引入运放的虚短和虚断概念后，通过运放构成图2所示的同相比例运算电路来分析其输出与输入的关系，很容易得到u0=(1+Rf/R1)ui的表达式。显然，这是由运放理想模型得出的。然后提出问题:对于实际的运放电路，将输入电压接地，输出电压等于零吗?得到的答案是输出肯定不会等于零，那么该输出电压的是如何产生的呢?此时我们告诉学生运放的输入端存在输入失调电压、输入偏置电流和输入失调电流等概念。如果强调运放的这些参数会产生直流运算误差，那么如何消除这些误差呢?答案是一般运放都具有外接调零电阻的调零端子，可通过内部调零或采用外部凋零电路来消除直流误差。

图2 同相比例运算电路

我们可以进一步引导学生思考如下问题:如果温度变化时，输入失调电压、输入失调电流将如何变化?这些受温度影响而使输出电压产生的变化能否通过调零电路消除?此时学生对运放的温度漂移参数将很容易理解，对什么是高精度运放也有了正确的认识。

我们也可以通过让学生思考该电路能否放大交流信号为切入点，很容易引出运放的带宽和增益带宽积等交流参数。如果将电路连接成电压跟随器，在输入端加入方波信号时，提问学生观察到输出信号是什么波形?从而引出运放的转换速率参数，进一步推导出运放在大信号输出状态下，不失真输出电压幅值与最高频率、转换速率之间的关系式。对于学生比较容易理解的运放其它性能参数，教师可直接讲解即可。

3 不同型号运算放大器的区别

我们在对运放主要参数指标介绍完后，应列举出几款典型的集成运放的参数，比较它们的差异，让学生理解它们各自的特点，掌握它们各自的应用场合。关于这点，一般国外教材都是采用如上处理的，然而国内教材很少给出实际运放的参数指标并做对比。为此，我们选择了通用型运放μA741、高输入电阻型运放OPA134、高精度型运放 OPA335、高速型运放OPA842、低功耗型运放TLV2460和高压大电流型运放OPA548，突出讲解它们各自的特点，分别应用在什么场合等。最后还简单介绍目前出现的一些新型运放。

4 直流通路与交流通路的作用

在“模拟电子技术基础”课程关于放大器内容讲解时，为了保证放大器正常的工作，必须要求电子电路有合适的直流通路和交流通路。对于这个概念，我们在讲授三极管和场效应管器件组成的放大电路时均做了重点介绍。但对于集成运放组成的放大电路目前教材中对于静态和动态概念强调得不够，致使学生在分析运放组成的交流放大器时往往会出现错误。例如运放采用正、负对称的电源供电时和采用单电源供电时组成音频信号放大器，其电路结构有什么不一样呢?如果学生能正确理解运放设置直流通路(建立合适的静态工作点)和交流通路的方法和目的，对于图3所示的单电源条件下运放构成前置音频信号放大电路的工作原理将很容易理解。

图3 单电源下的交流放大器

在图3所示电路中，为了减少输出信号的失真和得到大的输出信号的动态范围，一般静态时将运放的输出设置在(1/2)UCC处，其放大器的直流通路如图4所示。当加入音频信号ui后，该放大器的交流通路如图5所示，其交流放大倍数为Avf=u0/ui=1+(Rf/R1)。

图4 放大器的直流通路

图5 放大器的交流通路

图3中电容C1、C2、C3是耦合电容，它们将影响放大器的下限频率fL，那么该放大器的上限频率fH将受什么因素影响呢?这时学生很容易联想到运放的增益带宽积和转换速率等指标。

5 结语

以上关于运放内容的教学改革经过2010级和2011级自动化卓越工程师班的实践，效果非常显著。其结果是加强了前后知识体系的联系，疏理了电子技术的系统性;培养了学生的工程观点，增强了对集成运放的理解，改变了学生对于真实器件符号化和理想化的认识;而且培养了学生的自学能力，使他们在设计电路时，首先查阅集成运放型号及参数的良好习惯［5-7］。

下一步我们准备继续探讨课堂教学与实验教学如何有机的结合、“模拟电子技术基础”课程中的理想器件模型与真实器件如何相结合及理论典型电路与实际工程中应用的电路如何相结合等问题，继续扩大该课程的改革范围。

［1］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2001

［2］王济浩，模拟电子技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［3］孙肖子等.模拟电子技术基础［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001

［4］傅丰林，陈健.低频电子线路［M］.北京:高等教育出版社，2008

［5］姚福安，周长森等.建设电子设计立体化教学平台［J］.上海:实验室研究与探索，2006，Vol.25 No.6，pp.688-691

［6］陈亦文，涂娟.基于工程背景的“模拟电子技术”课程教学模式［J］.南京:电气电子教学学报，2012，6.Vol.34 No.3，pp.46-47

［7］张士文等.工程实践与科技创新系列课程的实践［J］.南京:电气电子教学学报，2012，6.Vol.34 No.3，pp.61-63