电子技术基础（第5版）（微课版）教案 项目3　集成运算放大器

课时教学计划教师姓名时数4日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础任务3.1（学习情境）任务3.1认识集成运放（理论讲授+多媒体演示+课堂互动）主要教学内容集成运放概念及结构组成，芯片特点、集成运放的理想化条件及传输特性，集成运放的线性应用电路和非线性应用。教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标具有正确差别集成芯片引脚功能的能力，具有运用实验手段正确连接集成运放各种运算电路的基本技能，具有对工程实际电路进行读图识图的能力。了解集成运放的基本概念、图形符号和文字符号以及单运放的引脚功能，熟悉集成运旂主要技术指标、电压传输特性，理解虚断和虚短的概念以及非线性应用条件，掌握电压比较器及文氏桥正弦波振荡器。培养严谨的科学精神和职业素养，能够用联系的、全面的、发展的观点看问题；通过应用实例提升民族自豪感，坚持自信、自立。教学重点理想运放的理想化条件及虚短、虚断的核心结论。教学难点虚短、虚断结论的物理本质及在复杂电路中的灵活应用。教学准备项目三PPT，运放芯片手册（如μA741）、典型应用电路原理图（比例、求和、比较器等）；实验设备：电路实验板、μA741运放芯片、电阻、电容、稳压管、示波器、信号发生器、直流电源、万用表；提前让学生查阅“集成电路与分立元件电路的区别”，初步了解μA741芯片的引脚功能，回顾负反馈对放大电路性能的影响。教学组织形式多媒体课件（包含理论知识与动画演示），理论讲授时可穿插问题提问，激发课堂互动氛围，提高学生的学习兴趣。作业P71页的思考与问题备注教学过程设计课程导入（15分钟）1.情境引入：展示智能手机主板、示波器探头、工业控制器的内部电路，指出“集成运放是这些设备中实现信号运算、放大、比较的核心器件”，提问“为什么手机能将麦克风的微弱信号放大到驱动扬声器？”，引出运放的核心作用；2.历史回顾：简述运放的发展历程——从早期模拟计算机的运算单元，到如今广泛应用于通信、控制、测量领域，结合中国集成电路创业史陈列馆的案例（我国第一块大规模集成电路诞生），强调运放的工程价值；3.课程预告：明确本项目将围绕“认识运放（结构、特性）→运放线性应用（运算电路）→运放非线性应用（比较器、振荡器）”展开，梳理学习脉络。（二）任务3.1认识集成运算放大器（90分钟）3.1.1集成运放概念及结构组成（20分钟）定义与特点：讲解“集成运放是将差动输入级、中间放大级、输出级、偏置电路集成在一块硅片上的多端集成电路”，对比分立元件电路，强调其“体积小、性能优、可靠性高、成本低”的特点封装形式：展示实物图及示意图，介绍四种常见封装：圆壳式：早期封装，如μA709，引脚沿圆周分布；双列直插式（DIP）：最常用，如μA741（8引脚DIP封装），便于焊接；扁平式：体积小，适用于高密度电路板；单列扁平式（SOP）：引脚沿一侧排列，常用于便携式设备；引脚识别：以μA741为例，结合引脚图讲解各引脚功能：1脚、5脚：调零端（外接电位器校准输出零点）；2脚：反相输入端（U-）；3脚：同相输入端（U+​）；4脚：负电源端（通常接-12V）；6脚：输出端（UO​）；7脚：正电源端（通常接+12V）；8脚：空脚；课堂互动：让学生观察μA741实物，指出“反相输入端”“调零端”，强化引脚记忆3.1.2集成运放芯片特点（15分钟）内部结构：结合框图讲解四大组成部分及作用：差动输入级：由差动放大电路构成，抑制零漂、提高共模抑制比（KCMR）；中间放大级：由多级共射放大电路构成，核心是提高电压增益（Auo）；输出级：由电压跟随器或互补对称电路构成，降低输出电阻（ro）、提高带负载能力；偏置电路：由恒流源构成，为各级提供稳定的静态工作电流；3.1.3集成运放的选择及性能指标（10分钟）关键性指标：结合工程应用，讲解核心参数的意义：开环电压放大倍数Auo：理想值为∞，实际值10⁴~10⁷，反映电压放大能力；差模输入电阻ri：理想值为∞，实际值几十kΩ~几十MΩ，反映输入端获取信号的能力；闭环输出电阻ro：理想值为0，实际值几十Ω~几百Ω，反映带负载能力；最大共模输入电压Uicmax：允许的最大共模信号电压，超出会导致KCMR下降；参数对比：展示μA741的典型参数（Auo=2×10⁵、ri=2MΩ、ro=75Ω、Uicmax=±13V），让学生理解“理想运放是实际运放的近似模型”。3.1.4理想运放的理想化条件及传输特性（25分钟）理想化条件：明确理想运放的4个假设：开环电压放大倍数Auo=∞；差模输入电阻ri=∞；输出电阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；传输特性：结合电压传输曲线（输出电压UO​与差模输入电压Uid=U+-U-​的关系），分两个区域讲解：线性区：UO=Auo×Uid​，因Auo极大，线性区极窄（仅几mV），需引入负反馈才能稳定工作；饱和区：Uid>UOM/Auo时，UO=+UOM​；Uid<UOM/Auo时，UO=-UOM​；（UOM​为最大输出电压，约±12VforμA741）；核心结论推导：基于理想化条件推导“虚短”和“虚断”：虚断：因ri=∞，输入电流I+=I-≈0（输入端无电流）；虚短：线性区中UO​有限，Auo=∞，故Uid=U+-U-≈0，即U+=U-（两输入端等电位）；实验演示：搭建开环运放电路，输入微小正弦信号（10mV），用示波器观察输出波形“瞬间饱和”，验证“开环运放易进入非线性区，需负反馈稳定线性工作”。理想运放的核心结论应用（20分钟）虚短和虚断的工程意义：说明“将实际运放视为理想运放，可简化电路分析，误差在工程允许范围内”；典型例题：以“判断反相输入端电位”为例，假设电路满足线性条件，利用“虚断”得I1=IF，利用“虚短”得U+-U-≈0（虚地），推导输出与输入关系；课堂练习：给出同相比例电路的参数，让学生尝试用“虚短”“虚断”推导UO=(1+R1RF)Ui，教师巡视指导，纠正推导错误易错点提醒：强调“虚短仅适用于线性区，非线性区（开环/正反馈）U+不等于U-；虚断在所有工作区均成立”。课时教学计划教师姓名时数3日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础任务3.2（学习情境）任务3.2集成运放的应用（理论讲授+多媒体演示+课堂互动）主要教学内容集成运算电路多种，非线性应用电路比较器、文氏桥及方波发生器教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标具有运放电路的安装、调试能力，具有能运用理想化条件分析实际电路的能力，培养工程实践思维。掌握集成运放的线性应用电路的分析与设计，熟悉非线性应用电路的工作原理。培养严谨的科学精神和职业素养，能够用联系的、全面的、发展的观点看问题；通过应用实例提升民族自豪感，坚持自信、自立。教学重点运放线性电路的分析方法（基于虚短和虚断推导输出与输入关系），单门限/滞回电压比较器的电压传输特性，文氏桥的起振条件、振荡频率计算等。教学难点滞回电压比较器、文氏桥电路分析及理解。教学准备教学资料、教学设备以及预习任务等。教学组织形式多媒体课件（包含理论知识与动画演示），理论讲授时可穿插问题提问，激发课堂氛围，提高学生的学习兴趣。作业P81页的思考与问题备注教学过程设计任务3.2集成运放的应用（135分钟）3.2.1集成运放的线性应用（75分钟）电路结构：展示电路图（反相输入端接R1和输入Ui，反馈端接RF，同相端接R2），说明R2=R1//RF（平衡电阻，减小输入偏置电流的影响）；分析推导：基于虚短和虚断：虚断：I+=I-=0故U+=0，（同相端接地）；虚短：U+=U-=0（虚地）电流关系：（负号表示反相）反馈类型判别：用瞬时极性法+短路输出法短路UO=0，反馈电流IF=0，故为电压反馈；输入电流I1，反馈电流IF在输入端以电流形式叠加（均流入反相端），故为并联反馈；结论：电压并联负反馈。实例计算：已知R1=10kΩ，RF=20kΩ，Ui=-1V，计算UO=2V，R2=10//20≈6.7kΩ；实验论证：搭建反相比例电路，输入Ui=-1V，用万用表测量UO=2V。同相比例电路，电压跟随器，求和运算电路，微分与积分运算电路。注意事项：强调“微分电路易受高频噪声干扰，实际应用中需加小电阻抑制；积分电路存在零点漂移，需定期校准”。差分运算电路（10分钟）电路结构：双端输入Ui1接反相端R1，Ui2接同相端R2，反相端接RF（反馈电阻），同相端接R3（接地），满足R1=RF，R2=R3；推导：利用叠加定理，Ui1单独作用时…，Ui2单独作用时…，因R1=RF，R2=R3，得UO=Ui2-Ui1，实现了差分减法。应用：测量放大器（消除共模干扰，如热电偶温度测量），说明“仅放大差模信号，抑制共模信号”的优势。3.2.2集成运放的非线性应用（60分钟）集成运放应用在非线性区的特点：处于开环或正反馈状态下。单门限电压比较器：结构：同相端接基准电压UR，反相端接输入Ui。传输特性：当Ui<UR时，UO=+UOM，当Ui>UR时，UO=-UOM，门限电压=UR。问题：抗干扰能力差（输入含噪声时输出频繁跳变）；滞回电压比较器结构：正反馈（输出通过RF接同相端），同相端接R1（接地），反相端接输入Ui，输出接稳压管（限幅±UZ）；双门限推导：当UO=+UZ时，…当UO=-UZ时，…传输特性：…呈现滞回特性。优势：抗干扰能力强（噪声需超过门限差才会导致跳变）；实验对比：分别搭建单门限和滞回比较器，输入含噪声的正弦波，观察示波器波形——单门限输出频繁跳变，滞回比较器输出稳定方波。方波发生器（10分钟）结构：滞回比较器+RC定时电路（R、C构成充放电回路）；工作原理：上电时UO=+U2，U+=+UT+，UO通过R给CYCJN,UC（反相端电位）上升；当UC>UT+时，UO跳变到-UZ，U+=+UT-，C通过R放电，UC下降；当UC<UT-时，UO跳变回到+UZ，循环产生方波；频率计算：f=1.1kHz；实验演示：用示波器观察输出方波，测量频率与计算值对比；文氏桥正弦波振荡器（20分钟）电路结构：同相放大电路（运放+负反馈R1、RF+RC选频网络（正反馈）；起振条件：相位条件：RC选频网络在f0=1/2πRC时，反馈信号与输出同相（正反馈）；幅值条件：同相放大倍数Au=1+RF/R1≥3（RC网络反馈系数等于三分之一；振荡频率：f0=1/2πRC，取R=1kΩ，C=0.1μF，计算f0=159Hz；稳幅机制：RF采用热敏电阻（温度升高时阻值增大），当UO增大→RF增大→AU下降至3，输出稳定正弦波；实验搭建：输入接地（无外部信号），用示波器观察输出正弦波，验证“自激振荡”现象。课程总结与作业布置（15分钟）课程总结知识框架梳理：集成运放（结构、理想条件、“虚短”“虚断”）→线性应用（比例、求和、微分、积分、差分）→非线性应用（比较器、方波发生器、正弦波振荡器）；核心考点强调：理想运放的两条结论、线性电路的反馈类型、微分/积分的波形变换、滞回比较器的双门限、文氏桥的起振条件；工程思维培养：结合中国集成电路发展案例，强调“运放电路设计需兼顾性能指标与实际应用（如散热、抗干扰）”，鼓励学生关注核心技术自主创新。作业布置理论课：1.简述“虚短”“虚断”的适用条件，为什么非线性区“虚短”不成立？2.设计“UO=2Ui1-Ui2”的运算电路，画出电路图并计算电阻参数（取RF=20kΩ）。推导滞回比较器的上门限U=T+和下门限U=T-，已知UZ=6V、R1=10kΩ，RF=20kΩ；实操题：1.搭建电压跟随器电路，测量输入电阻（用信号源内阻法）和输出电阻（用负载变化法），验证“高输入、低输出电阻”特性；2.调整文氏桥振荡器的R值（如改为2kΩ），测量振荡频率变化，验证f0与R的反比关系。拓展题：查阅资料，了解“有源滤波器”的工作原理（基于运放的低通/高通滤波器），说明其与RC无源滤波器的区别，撰写300字短文。教学评估1.课后总结学生难以理解的知识点（如积分电路的时域分析、文氏桥的反馈系数计算），下次课可通过动画演示“RC充放电过程”“反馈信号相位关系”，增强直观性；2.增加小组协作项目（如“设计一个简易信号发生器，输出方波和正弦波”），提升学生的团队协作与工程实践能力；3.收集学生对课程内容的反馈，调整后续教学节奏（如适当增加非线性应用的实验时间），确保教学效果。课时教学计划教师姓名时数2日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础实验（学习情境）实验：集成运放的线性应用电路搭建主要教学内容