🎯 实验目的

  • ✅ 理解运算放大器基本原理、工作特性 (差模增益、虚短虚断)。
  • ✅ 会通过搭接电压跟随器，判别集成运放的好坏。
  • ✅ 具备对比例、加减运算电路搭接、测试，以及电路故障进行分析、排查和调试能力。
  • ✅ 培养科学方法、工程思维，树立热爱祖国、科技报国的家国情怀，为“中国芯”贡献力量。
💡 运放核心："虚短" (\(u_+ \approx u_-\)) 与 "虚断" (输入电流趋于零) —— 理想运放分析基础。

📘 集成运放原理与特性

概述：双端输入、单端输出，高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻，可抑制温漂。输出电压 \(u_o = A_d(u_+ - u_-)\)。

[运放原理图] 双端输入单端输出差动放大器
理想指标
开环增益 \(\infty\)
输入电阻 \(\infty\)
输出电阻 \(0\)
现实指标
\(A_d > 10^5\)
\(r_{id} > 1\mathrm{M\Omega}\)
\(r_o\) 几十\(\Omega\)
共模抑制比
\(\mathrm{CMRR} > 100\mathrm{dB}\)

输出电压传输特性

差模开环增益极高 → 线性区极窄 (mV级)，因此实际应用中必须引入负反馈，使其工作在线性区（模拟运算、放大）。

主要应用领域

✅ 信号放大 ✅ 模拟运算(加减乘除积分) ✅ 滤波电路 ✅ 波形发生

📐 理想运放闭环分析依据：\(u_+ = u_-\)，\(i_+ = i_- = 0\)。

🔩 常用集成运放芯片

实验中常采用 LM358 (双运放，低功耗) 或 NE5532 (低噪声高性能音频运放)。双列直插(DIP-8)引脚定义：

LM358 / NE5532 引脚图
1: OUT A   2: IN- A   3: IN+ A
4: VEE/GND  5: IN+ B   6: IN- B
7: OUT B   8: VCC
双列直插封装
🧪 LM358 实物特性
单电源/双电源，增益带宽积1MHz
NE5532 低噪声，高驱动能力
电压跟随器判别运放好坏：将运放接成跟随器，输入直流电压，输出应相等。若输出电压偏差大或振荡，则芯片可能损坏。

⚡ 电压跟随器 — 判别运放好坏 & 缓冲隔离

电路原理：输出端直接连接到反相输入端 (\(u_- = u_o\))，同相端输入信号。根据虚短: \(u_o = u_i\)，增益 \(A_v = 1\)，高输入阻抗，低输出阻抗。

1.5 V
±12 V

📈 跟随器输出结果

理论输出电压: 1.50 V
考虑电源限制实际输出: 1.50 V
电压增益 \(A_v\): 1.00

✅ 输出电压跟随输入，运放工作正常 (理想跟随)。

💡 运放好坏判别：给跟随器输入直流电压 (例如+2V)，测量输出是否为+2V。若偏差超过0.1V以上或震荡，说明运放损坏或电源异常。

📈 同相比例放大电路

电路原理：输入信号加在同相端，反馈网络 \(R_f\)、\(R_2\) 分压反馈到反相端。闭环增益 \(A_v = 1 + R_f / R_2\)。

\[u_o = \left(1 + \frac{R_f}{R_2}\right) u_i\]
0.50 V
20 kΩ
5.0 kΩ
±12 V

🔍 同相放大指标

理论增益 \(A_v\): —
理论输出电压: — V
实际输出(限幅): — V

📉 反相比例放大电路

电路原理：输入信号经 \(R_2\) 接至反相端，同相端接地，反馈电阻 \(R_f\) 跨接在输出与反相端之间。闭环增益 \(A_v = - R_f / R_2\)。

\[u_o = -\frac{R_f}{R_2} u_i\]
0.80 V
50 kΩ
10 kΩ
±12 V

🔍 反相放大指标

理论增益 \(A_v\): —
理论输出电压: — V
实际输出(限幅): — V

✨ 实验技巧：调试反相放大器时，若输入为正输出应为负，若出现输出饱和波形削波，需减小输入幅度或增加电源电压。

🛠️ 故障排查、分析与调试 (工程思维)

  • 故障现象：输出电压始终接近电源电压 (饱和) : 检查是否虚焊或反馈回路开路，运放处于开环状态；确认负反馈网络连接正常。
  • 跟随器输出偏移过大： 检查输入失调电压；或在同相端对地加调零电路; 可能是运放损坏。
  • 比例电路增益异常： 使用万用表测电阻值 Rf、R2，确保电阻值准确；检查信号源频率是否过高导致增益下降。
  • 波形失真（非线性）: 超出线性范围 ⇒ 减小输入信号幅度或提高电源电压。
  • 自激振荡： 在电源引脚附近加去耦电容 (0.1μF+10μF)，或者输出对地加小电容。
🧪 科学调试流程：静态测试(直流)→ 动态测试(小信号正弦观察波形)→ 改变参数验证 → 分析故障原因。具备辩证思维，理论结合实践。

📺 提升家国情怀与创新使命

深入理解模拟集成电路，从跟随器到复杂信号链，为我国半导体自主创新贡献智慧。严谨求实，科技报国。