一、教学设计

                    表1、运算放大电路性能与测试

教师姓名	李军科、崔玫、陈立文、房曙光、曹钟林、程军武、童建华、冒莉	备注
章节名称	项目三 信号处理电路  任务3-2 运算放大电路
教学任务	运算放大电路的电路结构和工作原理；运放放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻；测试运算放大电路的静和动态性能指标。
教学目标	1、 掌握运算放大电路的电路结构和工作原理； 2、 分析计算运算放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻； 3、学会测试运算放大电路的静态和动态性能指标。
教学策略	以教师为主导，学生为主体开展教学。教师演示课程PPT,并借助于multisim11电路仿真软件对小信号运算放大电路多媒体演示。
教学过程	教师活动： 实例导入—提出问题（家用电器中运算放大器）—multisim11平台小信号运算放大电路演示 ——学生仿真过程指导——板书讲解
	学生活动： 在教师新课导入基础上回答问题—课堂听讲——完成小信号运算放大电路multisim11平台电路仿真。
	资源准备：multisim11软件、PC电脑、投影、PPT课件、USB接口数字示波器、万用表、面包电路板
教学评价	1、知识与技能：运算放大器符号、分类、分析方法、芯片选型。
	2、过程与方法：课堂理论讲解与实际操作、仿真演示。
	3、教学态度评价：
	说明：教学评价安排在课堂快要结束时候，以学生评价为主，讲师评价为辅
课程总结	模电的核心是运算放大器，前面晶体管放大电路、差分放大电路的学习目的是熟练运用运算放大器。

二、教学内容 

2.1集成运放简介

如前所述,集成运放电路是一种高放大倍数,高输入电阻,低输出电阻的直接耦合放大电路.由于直接耦合式电路存在的温漂问题,所以对温漂影响最大的第一级电路几乎毫无例外地采用了差动放大形式.为了得到高放大倍数,中间级大多采用了共射(共源)放大电路,并常常设计成有源负载以获得更高的放大倍数.同时为了提高带负载能力,多采用互补型跟随式输出级电路.运放电路一般多由二至三级放大环节组成,这是因为级数越多,输出与输入信号之间相移越大,引入负反馈以后,越容易产生自激振荡,使得电路无法正常工作.级数少一级,则比较容易采取简单的方法消除可能产生的自激振荡.

2.2集成运放性能指标

1.开环差模电压放大倍数Aod

开环差模电压放大倍数Aod是指集成运放在开环情况下的空载电压放大倍数。Aod ，其值越大越好。

2.共模抑制比KCMR

共模抑制比KCMR是集成运放的开环差模电压放大倍数和开环共模电压放大倍数之比的绝对值，即 。它是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。其值越大越好。

3.差模输入电阻

差模输入电阻 是差模信号输入时，运放的开环输入电阻。 愈大，从信号源索取的电流愈小。

4.输入失调电压UI0及其温漂dUIO/dT

UI0是使输出电压 为零时在输入端所加的补偿电压，其数值是 =0时，输出电压折合到输入端电压的负值，即UI0= 。UI0愈小，表明电路参数对称性愈好。dUIO/dT是UI0的温度系数，其值愈小，表明运放的温漂愈小。

5.输入失调电流II0及其温漂dIIO/dT

II0=|IB1-IB2|，II0的大小反映了输入级差放管输入电流的不对称程度。其值愈小愈好。dIIO/dT是II0的温度系数，其值愈小，表明运放的质量愈好。

6.输入偏置电流IIB

输入偏置电流IIB是输入电压为零时，集成运放两输入端静态基极(栅极)电流的平均值，即IIB=(IB1+IB2)/2。IIB愈小，信号源内阻对集成运放静态工作点的影响也就愈小，II0往往也愈小。

7.最大差模输入电压UIdMax

UIdMax是运放两输入端间所能承受的最大差模电压值。超过该值，输入级某一側的晶体管将出现反向击穿现象。

8.最大共模输入电压UICMax

UICMax是两输入级能正常工作的情况下允许输入的最大共模信号。当共模输入电压超过此值时，集成运放便不能对差模信号进行放大。

9.–3dB带宽fH

–3dB带宽fH是指开环放大倍数Aod随输入信号頻率升高而下降3dB所对应的频宽。其值愈大愈好。

10.单位增益带宽

是使Aod=1(失去电压放大能力)时的信号频率，与晶体管的特征频率 相类似。

11.转换速度SR

转换速率SR 又称为上升速率，定义为运放输出电压的变化率：SR=|duo/dt|max ，它反映了运放对快速变化信号的响应能力。SR越大，表示运放对高速变化的输入信号的响应能力越好。

2.3运放之差分放                                

运算放大器核心是一个差动放大器。就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出。这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。

数字电路即为TTL或C-MOS逻辑电路，而谈到模拟电路，首先就应想到运算放大器。但是，这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢?简而言之，运算放大器是具有两个输入端，一个输出端，以极大的放大率将两输入端之间的电压放大之后，传递到输出端的一种放大器。

如果以电路符号来表示运算放大器，则如右图，可表示为三角形。它的两个输入部分分别叫做非倒相输入(1N＋)和倒相输入(IN－)。它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输人端之间的电压放大，然后从输出端(OUT)输出。 

在一个封装之中，放入一个运算放大器电路的称为单(Single)运算放大器，放入两个运算放大器电路称为双(Dual)运算放大器，放入四个运算放大器电路，称为四(Quad)运算放大器。使用四运算放大器的电路，比使用单、双运算放大器组装的电路板，面积可变得更小。在几乎所有的封装中，若为单运算放大器，则使用管壳型封装或8引脚双列式封装；若为双运算放大器，则使用8引脚双列式封装；若为四运算放大器，则使用14引脚双列式封装。并且，在一般情况下，引脚的排列一般是通用的，尽管也有例外，对业余爱好者使用的运算放大器来讲，可能只会使用以上几种封装方式。因此，弄清这种引线的分布方式，将非常方便。

2.4运放之偏置

在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR 比较低。

2.5虚短虚断

总体来说，运放在分析中记住两个特性，一个是虚短，一个是虚断，这两个概念是构成各种应用电路最核心的前提。虚短，是指运放两个输入端之间的电压近似短路，电压相等。虚断，是指运放两个输入端之间的电流通道是断开的，输入端之间没有电流流过。有了这两个概念，就可以分析所有形式的运放电路。但值得注意的是，这两个概念成立的条件是运放需要构成合理的负反馈，否则不成立。

其实运放电路设计的难点在于反馈环路的设计，如何引入反馈，如何产生反馈电压，都是设计中非常值得考虑的

2.6运放问题答疑

1.一般反相/同相放大电路中都会有一个平衡电阻，这个平衡电阻的作用是什么呢?

(1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。芯片内部的电路通常都是直接耦合的，它能够自动调节静态工作点，但是，如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地，它的自动调节功能就不正常了，因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压，也无法拉低电源的电压，这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件，电路需要另外分析。(2)消除静态基极电流对输出电压的影响，大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡，这也是其得名的原因

2.同相比例运算放大器，在反馈电阻上并一个电容的作用是什么?

反馈电阻并电容形成一个高通滤波器, 局部高频率放大特别厉害；防止自激。

3.为什么一般都在运算放大器输入端串联电阻和电容?

(1)如果你熟悉运算放大器的内部电路的话，你会知道，不论什么运算放大器都是由几个几个晶体管或是MOS 管组成。在没有外接元件的情况下，运算放大器就是个比较器，同相端电压高的时候，会输出近似于正电压的电平,反之也一样……但这样运放似乎没有什么太大的用处，只有在外接电路的时候，构成反馈形式，才会使运放有放大，翻转等功能.

4 为什么运放一般要反比例放大?

反相输入法与同相输入法的重大区别是：反相输入法，由于在同相端接一个平衡电阻到地，而在这个电阻上是没有电流的(因为运算放大器的输入电阻极大)，所以这个同相端就近似等于地电位，称为“虚 地”，而反相端与同相端的电位是极接近的，所以，在反相端也存在“虚地”。有虚地的好处是，不存在共模输入信号，即使这个运算放大器的共模抑制比不高，也保证没有共模输出。而同相输入接法，是没有“虚地”的，当使用单端输入信号时，就会产生共模输入信号，即使使用高共模抑制比的运算放大器，也还是会有共模输出的。所以，一般在使用时，都会尽量采用反相输入接法。

三、教学课件 

 

   

四、教学视频

   

五、教学案例—运算放大器处理标准电压电流信号

1、问题提出

在塑料机械及其它控制设备领域，经常会使用到模拟量信号，模拟量信号又分为电流信号0~20mA、4~20mA和电压信号0~10v、0~5v、1~5v两种。

电流信号在实际使用中的特点在于可以实现远距离传输，抗干扰能力强，且能用于需要防爆的场所。而大多数在选择电流信号的时候，经常会采用4~20mA的电流信号来使用，这是因为在防爆条件下信号输出故障时更有利于故障排除，而0~20mA在同等条件下排除故障则要困难得多。

电压信号在实际工作中的特点：不能远距离传输，如果远距离传输则有信号衰减，抗干扰能力弱且不能防爆，一般情况下采用0~10v,0~5v这两种模拟量信号在不需要远距离传输的情况下使用依然是一种不错的选择。

2、电路工作原理

1）0-2.5伏电压信号转0-10V、0-5V电压输出、4-20mA电流输出信号

                                                     图1   0-10V、0-5V电压模拟量输出

 

                                   图2、   4-20mA电流模拟量输出电路与2.5V模数转换参考电压

末端快接板模拟量输出电路分0-10/0-5V电压输出电路与4-20mA电流输出电路两种。0-10V/0-5V电压输出电路的输入信号DAC_OUT1/DACOUT2分别是STM32F103VCT6芯片内部两路DACOUT1/2输出。为了电路更好的参数匹配，用外部精密电压源芯片REF3025产生2.5V数字模拟转换参考电源。12位DAC数字量范围0-4095对应模拟量范围0-2.5V。设定数字量可以得到0-2.5V范围的任意模拟量。两路DAC信号分别由LM2904两运放调理电路做同相比例放大4倍、2倍可以得到0-10V、0-5V的模量量输出。LM2904采用24V单电源运放。24V模拟电源与输入电源、模拟地与电源地采用电感隔离，减少电路工作的干扰。电路中标注0.1%精度电阻为必选项。

4-20mA电流环输出电路直接采用Ti公司的专用电流环芯片XTR111。电路中LED2/LED3用来做电源指示与电流输出指示，可以根据需要取舍。另外VOUT5是XTR111自带的可调电压输出。目前输出为5V输出。本版电路将VOUT5也作为电路输出，电流最大为300mA。XTR111

是一款电压/电流转换芯片。AO2是0-5V电压模拟量输入，电流输出范围可以通过R60电阻调节。这里选择2k，根据手册输出的电流范围则是0-25mA(5/2000)。可以数字量控制一路DAC输出将输出电流调整到4-20mA范围。MMBT2907、NTF2905是对XTR111参考电路分析后依据参数替换并采购。

   特别说明，由于XTR111的输入电压来自AO2，所以4-20mA电流输出AO3与0-5V模拟电压源AO2不能同时使用。通常情况下，AO1为0-10V电压模拟量输出，AO3为4-20mA电流环输出。

2）0-10V、0-5V电压输入、4-20mA电流输入转0-2.5V电压电路

                        图3、   4-20mA电流模拟量输入、0-10V电压输入转0-2.5V电压信号

同模拟量输出类似，STM32F103提供了至少16路片内12位ADC采样通道。片内默认参考电压3V。本项目采用2.5V参考电源与DAC共用。芯片管脚电压输入范围0-2.5V，需要调理电路对0-10V /0-5V输入电压、4-20mA输入电流处理。这里选择了LM2902工业级四运放，工作温度-40-125度。

   AI1、AI2分别为0-10V、0-5V电压模拟量输入，根据运放虚短与虚断的原则，可以推导出U15A、U15B两个电路1/4与1/2衰减关系。电路中电阻推荐使用0.1%的精密电阻以提高采样精度。电压模拟量输入管脚ADC1/2。

   AI3、AI4位4-20mA电流输入信号。使用250欧姆电阻（0.1%精度推荐）实现电流电压转换。4-20mA输入对应1-5V输出，再经过调理电路1/2衰减。ADC3/ADC4两路电流采样管脚电压为0.5V与2.5V。5V单电源运放确保了4-20mA电流电压变换后的精度。

3）系统电源与滤波电路

末端快接板采用24V电源输入，由LM25010开关电源芯片转换为5V输出，STM32F103处理器所需要的+3.3v电源由XC6210B332MR芯片产生。开关电源芯片LM25010输入电压24V，+5V输出电压。R2、R4电阻直接调节输出电压。电感选择ISFC1515A、二极管选择B240A。LM25010可以输出1A电流负载。

                                  图4、   系统电源与滤波电路

3、标准电压电流信号转换板效果图

                         图5、标准电压电流模拟量输出输入板

4、教学反思

传统的模拟电子技术与实践课程中运放突出比例、积分、微分、加法电路应用。但实际工程应用中关于标准电压电流模拟量电路涉及很少，学生毕业之后在工作中但常常会碰到类似的问题，不论是电气自动化专业，还是应用电子专业。通过本案例可以让学生掌握运算放大器在模拟量输入输出的应用，方便在以后的职业岗位中顺利开展工作。