实验目的

了解运放基本原理，掌握基本运放电路的分析与搭建

🎯 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+≈u−) 与 "虚断" (输入电流趋于零) —— 理想运放分析基础。

实验原理

集成运放特性与理想运放模型

📘 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 $u_{o} = A_{d} (u_{+} - u_{-})$ 。

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_{i d} > 1 M Ω

r_{o}

几十

Ω

共模抑制比

CMRR > 100 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

。

核心元器件

LM358 / NE5532 双运放芯片

🔩 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
低噪声，高驱动能力

📌 运放引脚图

🔍 LM358 实物图

🎛️ NE5532 实物图

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 $A_{v} = 1$ 。

🔹 输入电压 V_in (V)1.50 V

🔹 电源电压 ±V_CC (V)±12 V

📈 跟随器输出结果

理论输出电压: 1.500 V

考虑电源限制实际输出: 1.500 V

电压增益

A_{v}

: 1.00

✅ 跟随正常，运放基本完好

💡 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

$u_{o} = (1 + R_{f} / R_{2}) \cdot u_{i}$

📈 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} = (1 + \frac{R_{f}}{R_{2}}) u_{i}

🔘 输入电压 u_i (V)0.500 V

🔘 反馈电阻 R_f (kΩ)20.0 kΩ

🔘 接地电阻 R₂ (kΩ)5.0 kΩ

🔘 电源电压 ±V_CC (V)±12

🔍 同相放大指标

理论增益

A_{v}

: 5.00

理论输出电压: 2.500 V

实际输出(限幅): 2.500 V

反相比例放大

$u_{o} = - (R_{f} / R_{2}) \cdot u_{i}$

📉 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}

🔘 输入电压 u_i (V)0.800 V

🔘 反馈电阻 R_f (kΩ)50.0 kΩ

🔘 输入电阻 R₂ (kΩ)10.0 kΩ

🔘 电源电压 ±V_CC (V)±12

🔍 反相放大指标

理论增益

A_{v}

: -5.00

理论输出电压: -4.000 V

实际输出(限幅): -4.000 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。

反相求和运算

多路输入信号的加权求和

➕ 反相求和运算电路

电路原理：多路输入信号分别通过电阻加到反相输入端，同相端接地，实现加法运算。输出关系：

u_{o} = - (\frac{R_{f}}{R_{2}} u_{i 1} + \frac{R_{f}}{R_{3}} u_{i 2})

🔘 输入信号1

u_{i 1}

(V)1.00 V

🔘 输入信号2

u_{i 2}

(V)-0.80 V

🔘 反馈电阻

R_{f}

(kΩ)100.0 kΩ

🔘 输入电阻

R_{2}

(kΩ, 对应

u_{i 1}

)20.0 kΩ

🔘 输入电阻

R_{3}

(kΩ, 对应

u_{i 2}

)20.0 kΩ

🔘 电源电压 ±V_CC (V)±12

📊 求和运算结果

分量1:

- \frac{R_{f}}{R_{2}} u_{i 1}

= -5.000 V

分量2:

- \frac{R_{f}}{R_{3}} u_{i 2}

= 4.000 V

理论输出电压

u_{o}

: -1.000 V

实际输出(限幅): -1.000 V

💡 反相求和可以实现多个信号的加权叠加，调节各输入电阻改变权重，广泛用于音频混音、信号合成等场景。

加减运算电路

差动放大 / 减法器扩展

⚖️ 加减运算电路 (差动放大/减法器扩展)

电路原理：同时利用同相端和反相端实现加法和减法运算，满足 $u_{o} = A_{1} u_{i 1} - A_{2} u_{i 2}$ 形式。给定关系：

u_{o} = (1 + \frac{R_{f}}{R_{3}}) (\frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}) u_{i 1} - \frac{R_{f}}{R_{3}} u_{i 2}

🔘 输入信号1

u_{i 1}

(同相端信号) (V)1.50 V

🔘 输入信号2

u_{i 2}

(反相端信号) (V)0.80 V

🔘 反馈电阻

R_{f}

(kΩ)100.0 kΩ

🔘 电阻

R_{3}

(kΩ, 反相输入电阻)20.0 kΩ

🔘 电阻

R_{1}

(kΩ, 同相分压上臂)10.0 kΩ

🔘 电阻

R_{2}

(kΩ, 同相分压下臂)10.0 kΩ

🔘 电源电压 ±V_CC (V)±12

📐 加减运算结果

同相贡献项: 4.500 V

反相贡献项: -4.000 V

理论输出电压

u_{o}

: 0.500 V

实际输出(限幅): 0.500 V

📐 灵活调整电阻比例可实现任意比例加减运算，是模拟信号处理（如传感器信号调理）的核心单元。

故障排查与调试

工程思维 · 故障分析与排查方法

🛠️ 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/求和电路增益异常： 使用万用表测电阻值，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。

✨ 运算放大器"小身材，大作用" —— 掌控现代电子系统的基石。