摘 要 本文針對高職高專(zhuān)電工電子教材在運放實(shí)用知識方面的短版，通過(guò)解析電子競賽綜合測評題，闡述集成運算放大器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)運放）在信號產(chǎn)生、放大、處理等方面的應用知識，提出高職高專(zhuān)教材在運放實(shí)用性方面的改進(jìn)意見(jiàn)，以求拓展高職學(xué)生對運放的應用技能，并為改進(jìn)教材提供素材。同時(shí)，對電子愛(ài)好者在運放的實(shí)際使用方面提供實(shí)用的參考電路及數據。
關(guān)鍵詞 集成運算放大器；教材的短版；單電源；增益帶寬積；競賽題解析；教材改進(jìn)
Abstract According to Higher Vocational College of electrical and electronic materials in a short version of the op amp practical knowledge， through the analysis of electronic competition evaluation， expounds the integrated operational amplifier （hereinafter referred to as the op amp） application in the knowledge of signal generation， amplification， processing， improvements in Higher Vocational Teaching in the practical aspects of the operation， in order to expand the application of operational skills of vocational students， and provide material for the improvement of teaching materials. At the same time， it provides practical reference circuits and data for the electronic enthusiasts in the practical use of operational amplifiers.
Key words Integrated operational amplifier； a short version of the textbook； single power supply； gain bandwidth product， analysis of competition questions， Teaching material improvement.
集成運算放大器在通信、信號處理、自動(dòng)控制、測量等各種電子設備中是必不可少的器件，多屆的電子設計競賽之所以都涉及運放的應用技能，正是基于運放在電子技術(shù)中的這種重要性。
然而，各種關(guān)于集成運算放大器的教材中，大都缺少關(guān)于集成運放在信號處理方面、供電電源的使用方面的實(shí)用知識，而這些知識在社會(huì )實(shí)踐中是經(jīng)常用到的。因此，有必要對有關(guān)教材做這方面的補充和完善。
本人通過(guò)對電子競賽題的解析，結合實(shí)際經(jīng)驗，就運放的一些實(shí)用知識做了探討，茲以本文進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。
1 教材的短版
目前，高職高專(zhuān)之電工電子教材在運放實(shí)用知識方面存在一些短版，現將本人在教學(xué)過(guò)程中使用或拜讀過(guò)的教材所存在的短版羅列如下：
2 針對短版的改進(jìn)
針對表1所列舉的教材短版，應該補充以下內容，以增強運放的實(shí)用性知識。
2.1 運放的單電源使用
運放既可以放大直流信號，也可以放大交流信號。對于交流信號的放大，為使運放具有大的動(dòng)態(tài)范圍，一般都使用雙電源。但運放使用單電源更具便捷性和實(shí)用性，有時(shí)甚至使用不對稱(chēng)雙電源。而表1所列舉的教材中，對供電電源都是輕描淡寫(xiě)，幾乎清一色地使用對稱(chēng)雙電源（±VCC）。
運放不管使用何種電源，為使其都能對交流信號進(jìn)行不失真地放大，必須把Q點(diǎn)設置在正、負電源之間的中點(diǎn)，這個(gè)Q點(diǎn)就是運放的虛“地”，如圖1、圖2、圖3所示[1]。
顯然，使用單電源時(shí)電路的動(dòng)態(tài)范圍只是使用對稱(chēng)雙電源時(shí)的一半。
2.2 使用不同電源時(shí)的交流放大電路
（1）雙電源
（2）單電源
圖6、圖7電路中的兩個(gè)100K電阻是分壓偏置電阻，它們使運放的Q點(diǎn)置于Vcc/2偏置處。
C1是消振電容，起穩定信號作用（有時(shí)可有可無(wú)）；C2起隔直作用，是必不可少的，如果省去C2（將R2的一端直接接地），電路就失去了Vcc/2偏置，因此不能正常工作。
2.3 運放的增益帶寬積
各種電工電子教材在闡述運放的主要參數時(shí)，絕大多數只講運放的直流參數，很少提及交流參數。對于交流信號的放大，關(guān)于頻率的交流參數是選用運放的一個(gè)重要技術(shù)指標。所謂增益帶寬積（GBW） ，是指電壓放大倍數AV與帶寬BW的乘積（GBW=AV×BW），BW也稱(chēng)為-3dB帶寬（BW=f H -f L），是指AV下降3dB（相當于A(yíng)V下降到0.707AV）所對應的信號頻率寬度，如圖8、圖9所示。（采用直接耦合輸入時(shí)f L=0）
通用型集成運放的-3dB帶寬只有幾Hz到十幾Hz，但增益帶寬積是個(gè)常數（AV×BW=常數）。例如LM324的增益帶寬積約為1MHz，當其開(kāi)環(huán)電壓放大倍數AV=10 5時(shí)，其開(kāi)環(huán)帶寬為10Hz左右；而當閉環(huán)放大倍數AV=10時(shí)，閉環(huán)帶寬約為100KHz，可見(jiàn)：AV×BW=10 6，兩個(gè)增益帶寬積是基本相同的。
由于LM324的GBW較低，由其組成的方波產(chǎn)生電路，當振蕩頻率為10kHz時(shí)，方波信號已開(kāi)始失真成了梯形波（如圖10所示）。
2.4 減少理論推導知識，增加實(shí)際應用電路
以上知識是實(shí)際應用時(shí)的必須知識，也是多屆的全國大學(xué)生電子設計競賽中考核的知識。因此，下面通過(guò)解析電子競賽綜合測評題，闡述運放在信號處理方面的實(shí)際應用電路。
3 電子設計競賽綜合測評題解析
3.1 2015年全國大學(xué)生電子設計競賽綜合測評題：
多種波形產(chǎn)生電路
使用題目指定的綜合測試板上的555芯片、74LS74芯片和一片通用四運放324芯片，設計制作一個(gè)頻率可變的可輸出方波Ⅰ、方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的多種波形產(chǎn)生電路。
（1）設計制作要求
使用555時(shí)基電路產(chǎn)生頻率為20kHz～50kHz的方波Ⅰ作為信號源；利用此方波Ⅰ，可在四個(gè)通道輸4種波形：每通道輸出方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一種波形，每通道輸出的負載電阻均為600歐姆。
（2）五種波形的設計要求
① 使用555時(shí)基電路產(chǎn)生頻率為20kHz～50kHz連款可調，輸出電壓幅度為1V的方波Ⅰ；
② 使用74LS74，產(chǎn)生頻率為5kHz～10kHz連款可調，輸出電壓幅度為1V的方波Ⅱ；
③ 使用74LS74，產(chǎn)生頻率為5kHz～10kHz連款可調，輸出電壓幅度峰峰值為3V的三角波；
④ 產(chǎn)生輸出頻率為20kHz～30kHz連續可調，輸出電壓幅度峰峰值為3V的正弦波I；
⑤ 產(chǎn)生輸出頻率為250kHz，輸出電壓幅度峰峰值為8V的正弦波Ⅱ。
（3）電源只能選用+10V單電源，由穩壓電源供給。不得使用額外電源。
3.2 解題過(guò)程
（1）設計方案
根據設計思路，設計電路方案如下（如圖11）：
（2）整機電路原理圖
該電路中，開(kāi)關(guān)Sw1、Sw2都置于“1”時(shí)，電路輸出低頻信號①～④；開(kāi)關(guān)Sw1、Sw2都置于“2”時(shí)，電路輸出高頻信號⑤。每路輸出負載由兩只1.2KΩ電阻并聯(lián)而得600Ω電阻。
Rw1用于調節矩形脈沖的占空比，Rw2用于調節振蕩頻率，Rw3用于調節方波Ⅰ的幅值，
Rw4用于調節方波Ⅱ的幅值，Rw5用于調節三角波的幅值，Rw6用于調節正弦波I的波形和幅值。A2空置不用。
（3）與運放有關(guān)的單元電路說(shuō)明
① +5V電源獲取電路
圖12為由運放構成的電壓跟隨器。
所謂電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓同幅同相。輸入可以是交流電壓，也可以是直流電壓。圖12整機電路中的運放A4組成電壓跟隨器，第14腳輸出+5V電壓，為數字集成電路74LS74提供電源，同時(shí)，為運放A1～A3能使用單電源而提供同相端偏置。
需要說(shuō)明的是，LM324的輸出電流是40mA，足夠一片74LS74用，且運放具有“虛斷”特性，A1～A3的同相端偏置輸入電流幾乎為零。
② 三角波形成電路
圖13為由運放構成的積分電路，可將方波整形得到三角波。圖中RC是反饋支路，C起主要反饋作用，為了得到線(xiàn)性良好的三角波，并聯(lián)了電阻R。
③ 正弦波形成電路
下圖14是一個(gè)二階有源低通濾波器，可將方波整形得到正弦波（實(shí)際上是從方波中濾出一次諧波分量），C3是消振電容。
該電路的截止頻率為：
3.3 實(shí)際電路測試結果分析
其他波形均能很好達到題目要求，只有正弦波Ⅱ幅值未能達到8V，原因是LM324的GBW小，250kHz信號不但不能起放大作用，反而衰減嚴重。因此，在解答上述綜合測評題時(shí)，不能用LM324對250kHz信號進(jìn)行放大，只能用低通濾波器將250kHz方波整形得到正弦波[2]，但由于是無(wú)源的，獲得的正弦波衰減較大，幅值達不到8V（用Proteus7.8軟件進(jìn)行仿真時(shí)，能獲得8V的正弦波?？梢?jiàn)仿真與實(shí)際是有差別的）。
4 結束語(yǔ)
集成運放在信號處理、自動(dòng)化控制等方面應用廣泛。本文主要闡述運放在單電源供電及交流信號處理方面的應用。通過(guò)對競賽題的解答分析，展示電子學(xué)中運放的一些基本單元電路的拓展知識及實(shí)際應用，而這些知識是目前高職高專(zhuān)之電工電子教材存在的短版，因此建議改進(jìn)如下：
（1）增加單電源的使用知識；
（2）增加關(guān)于頻率方面的交流參數及其解釋說(shuō)明；
（3）減少運放各種典型應用公式的理論推導，列舉一兩個(gè)，其他的羅列出來(lái)即可；
（4）增加實(shí)際應用電路，既有線(xiàn)性應用也有非線(xiàn)性應用的電路實(shí)例。
謹以本文為電子愛(ài)好者在實(shí)際使用運放時(shí)提供參考，并為改進(jìn)高職高專(zhuān)教材在運放實(shí)用性方面提供素材。
參考文獻
[1] 符慶.集成運算放大器使用電源的不對稱(chēng)性[J].海南大學(xué)學(xué)報，2013，121（04）：332.
[2] 符慶.2014年海南省電子競賽題解析[J].電子制作，2015，（4z）： 172-173.
