《电工电子技术基础与应用》教案 第13课 认识集成运算放大器和反馈放大电路

课题认识集成运算放大器和反馈放大电路

课时2课时(90inin)

知识目标：

(।)掌握集成运算放大器的组成、主要参数和工作特性.

(2)了解反馈的概念、分类.

(3)掌握负反馈放大电路的基本类型。

(4)了解负反馈对放大电路的影响。

教学目标技能目标：

(1)能够测量集成运算放大器的主要参数。

(2)能够正确测试负反馈放大电路.

素质目标：

(I)加强实践练习，掌握一定的专业技能和职业素养.

(2)养成自主学习、协作学习、探究学习的意识.

教学重点：集成运算放大器的组成、主要参数和工作特性、负反馈放大电路的基本类型

教学重难点

教学难点：集成运算放大器的组成、主要参数和工作特性、负反馈放大电路的基本类型

教学方法问答法、讨论法、讲授法、练习法

教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材

第1节课：课前仕第一等勤(2min)f玲导入(5min)一传授新知(30min)一实麒索(8min)

教学设计第2节课：问题导入(5min)一传授新知(15min)一探索活动(20min)一课堂小结(3min)一作业布

置(2min1

教学过程主要教学内容及步骤设计意图

第一节课

【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒卮学通过APP或其他学通过学生课前预

习软件，了解集成运算放大器的工作过程及作用，思考：”集成运算放大器的主要习，让学生了解所学

课前任务

组成及参数“，并让学生在学习平台上留言讨论章节的大概内容，激

【学生】登录学习平台预习，思考并留言讨论友学生的字之欲望

【教师】使用APP进行签到培养学生的组织

考勤

纪律性，掌握学生的

(2min)

【学生】按照老师要求签到出勤情况

【教师】引入任务“测星集成运算放大器的主要参数”，井提问：”集成运算放大通过任务导入的

方法，引导学生思考

任务导入器的主要参数有哪些？"，并随机邀请学生回答

集成运算放大器的

(5min)【学生】聆听、思考、回答

相关内容，激发学生

【教师】总结学生的回答，导入本节课课题：集成运算放大器与反馈电路的学习兴趣

传授新知【教师】游解集成运算放大器与反馈电路

(30min)学习情境一集成运算放大器与反馈

一、集成运算放大器的组成

【教师】组织学生扫码观看”差分放大电路”视频（详见教材），并随机邀请学通过视频解析、老

生回答差分放大电路的作用师讲解和师生互动，

【学生】观看、聆听、思考、回答使学生了解集成运

【教师】总结学生的回答，并讲解新知算放大器

集成运算放大器主要由输入级、中间级、输出级和电源电路四部分组成，如图6-4

所示.输入级一般为差分放大电路，用于提高整个电路的输入电阻和共模抑制比；中

间级为基本放大电路，用于获得较大的电压放大倍数；输出级为准互补输出级电路，

其输出电阻小，可使整个电路具有较强的带负载能力；电源电路用于为各级电路提供

电能.

***出入里-------中间a----------Htaia--------<>•«.

----------------1电源」叨|--------

图6-4集成运算放大器的组成

二、集成运算放大器的主要参数

1.开环差模电压放大倍数

开环差模电压放大倍数4”是指无外加反馈回路时集成运放的差模电压放大倍数。

八加的值一般在1伊和,07之间，由于数值较大，因此常用分贝（dB）表示，即

Ad（dB）=201gAR.4J的分贝值-股为100-140dB.

2.差模输入电阻

差模输入电阻a是指输入差模信号时的输入电阻。厂沁很大，一股大于1MC,有

的可达1（X）MQ.

3.开环输出电阻

开环输出电阻乙是指集成运放开环时的动态输出电阻。&很小，一般为几欧姆到

几十欧姆。

4.共模抑制比

共模抑制比/MR是指集成运放工作在线性区时，其差模电压放大倍数与共模电压

放大倍数之比的绝对值，即&TAjA」。KCMR的值很大，常用分贝（dB）表

示，其值一般在100dB以上，

5.最大差模输入电压

最大差模输入电压是指不会使PN结反向击穿的最大电压，当输入电压超过

此电压时，集成运放输入级一侧的三极管将会出现发射结反向击穿，从而损坏集成运

放。

6.最大共模输入电压

最大共模输入电压Ge-是指集成运放所能承受的共模输入电压的最大值，当输

入电压超过此电压时，集成运放中的三极管才各偏离放大区,此时9MR将显著减小.

【师生互动】

【教师】随机邀请学生回答以下问题：

最大差模输入电压和最大共模输入电压有什么区别？通过师生互动，掌

【学生】思考、回答握集成运算放大器

【教师】总结学生的回答的主要参数

7.输入失调电压及其温度漂移

在集成运放的实际应用中,当输入电压以为零时，输出电压“。并不为零.为了

使输出电压也为零，需要在集成运放两输入端加上额外的电压进行补偿，该补偿电压

便是输入失调电压以。，其值越小越好。a。的温度漂移是指案成运放在规定的温度

范围内工作时，4。随温度的变化率，即“1。z.5。的温度漂移是衡量集成运

放电压漂移特性的重要指标，其值越小越好。

8.输入失调电流及其温度漂移

输入失调电流乙。反映了集成运放电路的对称程度。当"。二°时，‘I。为集成运

放两输入端电流之差的绝对值・乙。的温度漂移是指集成运放在规定的温度范围内工作

时，人。随温度的变化率，即"K'Z.皿。2是衡量集成运放电流漂移特性的

重要指标。乙。及其温度漂移的值同样是越小越好。

【小组讨论】

【教师】组织学生分组讨论以下问题：

输入失调电压与输入失调电流有什么特性？

【学生】思考、讨论、小组代表进行回答

【教师】总结学生的回答

9.转换速率

转换速率SR是集成运放在大信号作用下输出电压的最大变化率，用于衡量集成运

放在大信号作用时对信号变化速率的适应能力.其表达式为

SR』

”(6-1)

10.供电电压范围

供电电压范围是指隼成运放允许的最〃国1显大的安全工作电源电压.

11.功耗

功耗小是指集成运放在规定的温度范围内工作时，可以安全耗散的功率。

【知类通达】

集成运放的理想模型称为理想集成运放，它将集成运放的各参数理想化，以便在

对其分析的过程中抓住主要因素、简化分析过程。

……详见教材

三、集成运算放大器的工作特性

集成运算放大器的工作特性主要是指其输出电压与输入电压之间的关系，它可通

过传输特性曲线来分析.集成运放的传输特性曲线如图6-5所示.其中，BC段为集成

运放工作的线性区,AB段和CD段为集成运放工作的非线性区(又称饱和区).

图6*5集成运放的传输特性曲线

由于集成运放的电压放大倍数极高，因此BC段十分接近纵轴。在理想情况下，可

认为BC段与纵轴重合。此时，用B，C段表示集成运放工作在线性区，AB'段和CD

段表示集成运放工作在非线性区。

1.线性区的工作特性

当集成运放工作在线性区时，可将其看作一个线性放大元件，其输出电压和输入

差值电压之间是线性关系，即

%=4（"+一也）（6.2）

由于集成运放的44,而""是有限值，因此可认为

（6-3）

这种特性称为"虚短"，即两个输入端之间的电压近似为零，相当于短路，但不

是真正的短路.

由于集成运放的7=/，因此可认为两个输入端的电流近似为零,即

一尸。（6-4）

这种特性称为“虚断"，即输入端相当于断路，但又不是真正的断路。利用"虚

短"和"虚断”这两个特性，分析各种运算及处理电路的线性工作情况将十分简便。

2.非线性区的工作特性

当处于开环状态或同相输入端与输出端之间有通路（正反馈）时，集成运放工作

在非线性区。此时，若反相输入端"-与同相输入端"-不等，则输出电压为正、负饱和

值（或一（„,）.当〃->〃•时，<=-Ug；当心VU+时/=+9..

此外,当集成运放工作在非线性区时，两个输入端的输入电流也为零。

【小组讨论】

【教师】组织学生分组讨论以下问题：

集成运算放大器输出电压与输入电压之间有什么关系？

【学生】思考、讨论、小组代表进行回答

【教师】总结学生的回答

四、反馈的概念

反馈是指将放大电路输出端的信号，通过一定的电路形式作用到放大电路的输入

端，对放大电路的输入是进行调整的措施.为了改善放大电路的工作性能，提高其输

出信号的质量，通常在放大电路中引入反馈.放大电路不引入反馈时的状态称为开环

状态，引入反馈后，整个系统变为闭环状态.

反馈放大电路由基本放大电路和反馈电路组成，如图6-8所示。其中，、X"和

Xf分别为反馈放大电路的输入量、输出量和反馈量，反馈放大电路的输入端同时受到

输入量和反馈量的作用；Xd表示X,和Xf比较后得到的净输入量。

|基本放大电路-r—J

---1反馈电路卜一

图6-8反馈放大电路的组成

A

设反馈放大电路的开环电压放大倍数为A，闭环电压放大倍数为,，反馈系数为

F，则有

经整理，可得

1+人尸（6-5）

在式（6.5）中，（1+4/）与闭环电压放大倍数密切相关，它是衡量反馈程度的

重要指标，称为反馈深度,引入反馈后，反馈放大电路可根据输出量的变化控制净输

入量的大小，从而自动调节信号的放大过程，以改善放大电路的工作性能.

【师生互动】

【教师】随机邈请学生回答以下问题；

反馈电路有什么作用？

【学生】思考、回答

【教师】总结学生的回答

五、反馈的分类

反馈有多种分类方法：根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两种；

根据反馈信号性质的不同，反馈可分为直流反馈和交流反馈两种；根据反馈量与输出

量关系的不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈两种；根据反馈量与输入量关系的不

同，反馈可分为串联反馈和并联反馈两种。

I.正反馈与负反馈

反馈的极性可根据反馈对输出量的影响进行区分.若反馈使输出量的变化增大，

即使净输入是增大，则称之为正反馈；若反馈使输出量的变化减小，即使净输入量减

小，则称之为负反馈。正反馈多用于振荡电路和脉冲电路，而负反馈多用于改善放大

电路的性能.

【4福示】

对于负反馈，"+人”।।,而"+I》।的负反馈称为深度负反馈；对于正

反馈，+；当1+A/=°时，放大电路将进入自激振荡状态。

正反馈与负反馈可采用瞬时极性法来判别，具体判别方法先假定输入量在某一

瞬时对地的极性，然后据此逐级判断电路中各相关点电流的方向和电位的极性，从而

得到输出量的极性，最后根据输出量的极性判断反馈量的极性。若反馈量使基本放大

电路的净输入量熠大，则引入的反馈是正反馈；若反馈量使基本放大电路的净输入量

减小，则引入的反馈为负反馈。

2.直流反馈与交流反馈

反馈信号中只有直流分量的反馈称为直流反馈，直流反馈可分为直流正反馈和直

流负反馈两种，其中直流负反馈多用于稳定放大电路的静态工作点，一般不单独使用。

反馈信号中只有交流分量的反馈称为交流反馈，交流反馈也可分为交流正反馈和交流

负反馈两种，其中交流负反馈多用于改善放大电路的性能.实际应用中，反馈信号中

既有直流分量又有交流分量，即同时存在交、直流反馈。

3.电压反馈与电流反馈

在反馈放大电路中，如果反馈量取自基本放大电路输出端的电压，则该反馈称为

电压反馈；如果反馈量取自基本放大电路输出端的电流，则该反馈称为电流反馈.

4.串联反馔与开联反馈

在反馈放大电路中，若反馈量与输入量在输入回路中串联，两者以电压方式相呼

力口，则该反馈称为串联反馈；若反馈量与输入量在输入回路中并联，两者以电流方式

相艳加，则该反馈称为并联反馈。

【学生】聆听、理解、记忆

【教师】组织学生制作PPT展开演讲讲解，并举例说明以下问题：

巩固本节课的重

实践探索集成运算放大器有什么功能?主要应用在哪些场合？

点知识，锻炼学生的

(8min)

【学生】聆听、思考、制作PPK演讲展示PPT表达能力

【教师】点评总结学生的回答，表扬表现出色的学生，井评选出学习之星

第二节课

【教师】提问回顾知识点

用问题导入，让学

(I)集成运算放大器有哪些组成、主要参数是什么？

问题导入生主动探究反馈电路

(2)集成运算放大器有哪些工作特性？

(5min)的相关内容，激发学

(3)反馈有哪些？各有什么特点？

生的求知欲

【学生】思考、发言

【教师】讲解新夕用负反馈放大电路

引入交流负反1贵的放大电路通常称为负反馈放大电路,它有4种基本类型，分别为

电压串联负反馈放牛联负反馈放大电路、电流串联负反馈放大电路和电流通过老师讲解和师

传授新知71电路、电压J

并联负反馈放大电品各,其原理框图如图&9所示.生互动，使学生了解

(10min)

负反馈放大电路

44i；i.

■+产7

叫‘小车放大电路也今放大电跄

反馈电路反馈电路

(a)电压串联负反馈(b)电压并取负反馈

(c)电流串联负反馈(d)电流并联负反馈

图6-9四种负反馈放大电路的原理框图

1.电压串联负反馈放大电路

电压串联负反馈放大电路如图6-9(a)所示.它的输入端和反馈电路的输出端相

串联，反馈量取自输出电压”“，反馈量与输入量以电压的方式相叠加，即％'="，一/。

2.电压并联负反馈放大电路

电压并联负反馈放大电路如图6-9(b)所示。它的输入端和反馈电路的输出端相

并联，反馈量取自输出电玉，反馈量与输入量以电流的方式相怏加，即，：=「％。

3.电流串联负反馈放大电路

电流串联负反馈放大电路如图6-9(c)所示.它的输入端和反馈电路的输出端相

串联，反馈是取自输出电流’。，反馈量与输入量以电压的方式相叠加，即=处一”.

4.电流并联负反馈放大电路

电流并联负反馈放大电路如图6-9(d)所示。它的输入端和反馈电路的输出端相

并联，反馈量取自输出电流反馈量与输入量以电流的方式相叠加，即父=「%。

【小组讨论】

【教师】组织学生分组讨论以下问题：

总结负反馈放大电路的类型及特点。

【学生】思考、讨论、小组代表进行回答

【教帅】总结学生的回箸

为了使放大电路能稳定工作，一般在电路中都要引入负反馈，负反馈对放大电路的

影响有以下几个方面.

।.提高放大倍数的稳定性

放大电路的放大倍数可能会因为元件老化、电源电压波动、奂载大小变化、环境温

度变化等原因而不稳定.在放大电路中引入负反馈之后，虽然降低了放大电路的放大倍

数，但是却可以提高放大涪数的稳定性.

2.展宽频带

无反馈时，电路中耦合电容、三极管极间电容的存在，会使双大电路的放大倍数随

频率变化。放大倍数在中频段较大，而在高频段和低频段较小。放大电路的幅频特性如

图6-10中的线段①所示.

引入负反馈以后利用负反馈的自动调整作用，可改变放大倍数随频率变化的特性.

从而使通频带展宽，如图6-13中的线段②所示。图中工和几分别表示负反馈引入前

的下限频率和上限频率，/u和/"F分别表示引入负反馈后的下限频率和上限频率。

根据分析，引入负反饿后，放大电路的下限频率由无负反馈时的A下降为

人“1+人臼，而上限频率由无负反馈时的4上升为11+.1工」，放大电路的通频

带得到展宽，其中F为引入负反馈后放大电路的反馈系数。

3.减小非线性失真

对于理想的放大电路，犍出信号与输入信号应该呈线性关系。但由于放大电路中

存在三极管等非线性器件，当输入幅值较大的正弦交流信号后，输出的却往往不是正弦

交流信号，波形产生了非线性失真，如图6-11(a)所示.输入的正弦交流信号在输出

端输出时，变成了正半周幅值大、负半周幅值小的失真波形.引入负反馈可以减小非线

性失真.

如图6-11(b)所示为有负反馈的情况。如果在图6-11(a)所示电路中引入负反

馈，则图&I1(b)中的反馈旨号与X。的失真情况一致，且反馈到输入端。这样,

反馈信号X，与原输入信号X在输入端叠加，产生的净输入信号X5=X-X,便是

前半周小、后半周大的波形.然后净输入信号经基本放大电路放大后，与“前半周大、

后半周小”的失真信号相互补偿，结果可使输出波形的正、负半周幅值趋于一致，从而

使非线性失真减小。

6HA&

(a)无负反馈的情况

(b)有负反馈的情况

图641负反馈减小非战性失真示意图

【小组讨论】

【教师】组织学生分组讨论以下问题：

负反馈是否能完全消除非线性失真？

【学生】思考、讨论、小组代表进行回答

【教师】总结学生的回答

对于产生于电路内部的非线性失真，必须引入负反馈才翻)制。对于由非线性信号

混入输入量或外界干扰信号引起的失真，引入负反馈却不起作用，必须采取其他方法才

8

能解决.需要注意的是，负反馈只能“减小"而不能"完全消除"非线性失真.

4.对放大电路输入、输出电阻的影响

放大电路引入负反馈后，其输入、输出电阻也随之变化。不同类型的反馈对输入、

输出电阻的影响各不相同，串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小；

电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大.因此，在设计放大电路时可

以选择不同类型的负反馈以满足对输入、输出电阻的不同需要。

【学生】聆听、理解、记录

【教师】组织学生测集集成运算放大器的主要参数、负反馈放大电路，讲解实施内

容，巡回指导

探索活动一测量集成运算放大器的主要参数

一、实施目的

(1)掌握集成运算放大器主要参数的测量方法。

(2)通过对pA741集成运算放大器主要参数的测量，了解集成运算放大器主要参

数的定义和表示方法.

二、实施器材

名称规格型号数量名称规格型号

直流稳压电源1路集成运算放大器gA7411台

函数信号发生器1台导线若干

双踪示波器1台电阻若干通过实践活动，加

探索活动交流亳伏表1台电容若干强学生对集成运算放

(25min)直流电压表1台大器、负反馈放大电

路的理解

三、实施内容

1)测量输入失调电层

G。测量电路如图6-1所示。按图连接好电路，闭合开关K|、K2,使电阻

飞、凡2短接,此时的输出电压即为输出失调电压，则输入失调电压为

R

N%

用直流电压表测量S1并计算出，将计算结果填入表6-2中。

2)测量输入失调电流.。

仍采用如图6-1所示的电路测量输入失调电流乙。・断开下关K,K2,将两个

输入电阻%।、时?接入电路，此时电路的输出电压为由于"BI、4?阻值较大，

流经它们的输入电流的差异将变成输入电压的差异，从而影响输出电压的大小.若忽略

输入失调电压u©的影响，则输入失调电流乙。为

3—Gl=LilhI」

其中，&==《2=2kQ.用直流电压表测量0。2,并计算出Ao,将计算

结果填入表6-2中.

图6・1几、人,测量电路

3）测量开环差模电压放大倍数

Az测量电路如图6-2所示。按图连接好电路，在集成运放的输入端力蹶率为100

Hz、幅值为30~50mV的正弦交流信号，用双踪示波器观察输出波形。用交流毫伏

表测量"。和3,并讨算从山，公式为

4一4十平

将计算结果填入表6-2中.

4）测量共模抑制比小

*CMR测量电路如图6-3所示.按图连接好电路，在集成运放的输入端加频率为

100Hz、幅值为1-2V的正弦交流信号用双踪示波器观察输出波形.测量4和4，

则共模抑制比/MR为

将数据记入表6-2中.

10

/JmAA/dB&

测量

标准值测量值标准值测量值标准值测量值标准值

值

100-

2~1050~10080-86

106

四、实施报告

(1)将测量值与标准值进行比较，若不一致，则分析产生误差的原因。

(2)对测量结果及操作中遇到的问题进行分析和讨论。

探索活动二测试负反馈放大电路

一、实施目的

(1)掌握判断电路中反馈类型的方法.

(2)通过测量放大电路的输入电阻、输出电阻，以及用双踪示波器观察输出电压

的波形，加深理解负反馈对放大电路的影响.

二、实施器材

名称规格型号数量名称规格型号数量

直流稳压电源1路面包板DG051块

双踪示波器।台购轩

函数信号发生器।台三极管9013若干

万用表I台

三、实施内容

1)连接电路

负反馈放大电路如图6-7所示,图中"I、VT,为三极管9013.

图67负反馈放大电路

2）测试负反馍对电压放大倍数的影响

（1）输入端接入频率为｛=1kHz的正弦交流信号.图6-7中电阻与（$1kC）

和电阻与（51。）组成衰减器，信号源用一个较大的信号。例如，在A端输入100mV

的电压信号，经衰减后B端输出电压为1mV。

（2）&F不接入电路的情况称为电路开环，接入电路的情况称为电路闭环。当

电路开环时，调节输入信号使输出波形最大且不失真，测出此时的“（）、

将结果填入表6-4中。

（3）保持输入信号/不变，按表6-4中的数据要求，测量出其他情况下的%值，

计算放大电路的A-,并将结果填入表6-4中。

表6-4负反馈对电压放大倍数的影响测试数据

状态勺u/mV//mV\-uJu,

00

开环

l5kQ

00

闭环

15k。

3）测试负反馈对输入、谕出电阻的膨响

（1）测试负反馈对输入电阻的影响。

在信号源与放大电路间串接5」kQ的电阻”（即4,此时不接小）,加入

/=1kHz的正弦交流信号，用双踪示波器观察输出电压的波形，调节输入信号的

幅值，使输出电压最大不失真，分别测量开环、闭环时的〃,、%,计算输入电阻&,

并将测量和计算结果填入表6-5中.

表6-5负反馈对输入电阻的影响测试数据

状态/mVWj/mVR、=uR/@「uJ

开环_______________________________________________________________________

闭环

（2）测试负反馈对输出电阻的影响。

在A端加入，=lkH/的正弦交流信号，在输出端接入51kQ电阻作为负载，调

节合适的输入信号幅值，使放大电路的输出波形不失真（接双踪示波器观察），分别测

量在开环和闭环状态下，接上负载队时的电压“"及空载时的电压“山，计算输出电阻

段,并将测量和计算结果填入表6-6中。

12

表6-6负反馈对输出电阻的影响测试数据

状态(R[=1.5kQ)

开环

闭环

4)测试负反馈对频率特性的膨响

(1)将电路开环，选择适当幅值的输入信号”，(频率为I"”的正弦交流信号)，

使输出信号在双踪小波器上有:荫幅的止弦父流信号