“深度学习”视域下的模电实验：从多级放大电路到运算放大器

“深度学习”视域下的模电实验：从多级放大电路到运算放大器

课程简要信息

课程名称：模拟电子技术实验

课程学时：课内4学时、课外4学时

适用专业：电气、生医、光电等

学生年级：二年级

实验内容与任务

1. 掌握由差分放大电路（含电流源电路）、共射放大电路、互补对称共集电路组成的直接耦合式多级放大电路的基本工作原理；

2. 掌握电流源电路、差分放大电路、直接耦合式多级放大电路静态工作点参数的调整方法；

3. 实现差分放大电路的单端、双端输入模式；同相、反相输出模式；

4. 观察含有互补对称共集电路的交越失真现象，以及实现失真的消除/克服；

5. 实现开环放大电路中负反馈的引入，实现同相/反相输入式比例运算电路，了解负反馈对放大电路性能指标的影响；

6. 实现放大电路中正反馈的引入，实现同相/反相输入式滞回比较器电路；

7. 实验过程中借助ADLab设备+WaveForms软件，用虚拟仪器记录相关数据与波形；

8. 拓展单元：用该实验板实现其它功能电路。

实验过程及要求

1. 回顾理论课学习内容，掌握以下三部分电路的工作原理：
   （A）差分放大电路（含电流源电路）、共射放大电路、互补对称共集电路组成的多级放大电路；
   （B）集成运放构成的负反馈放大电路；
   （C）集成比较器构成的比较器电路；

2. 查看实验用线路板（原理）图，了解其各级电路组成，关联理论课学习电路；

3. 静态参数，包括电流源电路、差分电路、整机电路等；

4. 单端输入模式，包括同相/反相、空载/带载、交越失真等；

5. 双端输入模式（参考单端输入模式）；

6. 负反馈放大电路的实现与测试；

7. 比较器电路的实现与测试；

8. 实验过程中，可借助ADLab设备，在计算机上，用虚拟仪器，测试并记录相关数据、波形等，了解虚拟仪器及其相关技术。

相关知识及背景

实验前，需回顾多级放大电路、负反馈放大电路和比较器电路的基本工作原理。

多级放大电路是模拟电子电路的基础，也是进一步学习和使用集成运放的前提。常规的模拟电子技术理论课程中，缺乏对由分立元件组成的多级放大电路的实物实验。本实验过程涉及分立元件电路、集成电路的实际操作和调试，有助于学生增强理论学习效果。

实验环境条件

自主开发的专用实验线路（直接耦合式多级放大电路）板。

数据采集等，可采用Analog Discovery装置 + WaveForm软件，即虚拟仪器方式；也可采用传统的实验室设备（示波器、信号源等）

教学目标与目的

通过完整的实物电路操作，帮助学生直观了解模拟电子技术理论课程所学内容，引导学生建立如何根据实际需求设计模拟电子电路，学习相关的测量手段等。

通过软硬件结合的实践操作、多样化电路的变换模式，培养学生独立思考和创新精神，提升实际动手能力，提高理论联系实际能力，以及学习获取新知识与综合应用的能力。

教学设计与实施进程

科学发展史是科学教育的指南。理工科教学中，适度引用一些科学发展史中的故事、事迹、或奇闻，了解科学家们是如何从寻常的思考方式，一步一步走向“古怪”的解释这一过程，不仅有助于提升学生对知识的学习兴趣，还能够促进学生对“古怪”知识的理解，以及培养科学精神与科学思维方式。

上世纪50年代末，伴随着半导体制造工艺的不断完善，出现了集成电路，解决了工程师不得不亲自手工组装和连接各种分立元件的问题。历史上的第一个集成电路板（如下图所示），仅仅是用几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，虽然看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。后来，历经小规模、中规模…超大规模…,集成电路的集成度不断增加，应用场景深入日常生活的方方面面。

第一块集成电路板

模拟电子技术基础课程的教学，紧跟时代发展，在介绍基本半导体器件及其典型电路的同时，重点讲述由集成运放构成的各类电路。集成电路是由多个单级放大电路，通过直接耦合方式级联而成的，多级放大电路。目前的理论教学中，完整讲述了从单级到多级，从多级到集成的全过程，配套的实验环节中，也包含有经典的晶体管共射（单级）放大电路实验、集成运放实验，这些，能较好地帮助学生掌握电子电路基础与应用两个层面的知识。但是，由于一般会跳过中间的直接耦合式多级放大电路实验单元，所以，从后期的工程应用实践，以及专业课程教师的反馈情况看，学生对于集成运放的各类参数指标、实际使用理解等，往往停留在符号这一理论知识层面，缺乏实际性的分析能力。

本实验通过自行设计的多级放大电路实验板，配套Analog Discovery装置 + WaveForms软件：（1）帮助学生真实了解集成运算放大器的典型组成单元、各单元的工作机理和级联关系等；（2）指导学生获取由分立元件构成的直接耦合式多级放大电路真实效果，以及如何实现由多级放大电路实现集成运放功能等；（3）通过实验板提供的可变式接口，培养学生独立思考能力，有效提升实际动手能力，增强理论联系实际效果；（4）通过软硬件结合的虚拟仪器操作方式，展示测试技术的发展方向，提升学生实验的兴趣感，培养学生获取与应用新知识的能力。

完整的实验过程包括：理论知识回顾、实验线路梳理、实验内容分析、实验调试与测试记录、实验数据分析、整体回顾与总结等过程。在实验教学中，应注重以下几方面的引导：

1. 理论知识回顾：
   各单元电路，包括差分放大电路、电流源电路、共射放大电路、互补对称共集电路；
   单元电路的级联方式&静态工作点、交越失真；
   如何引入负反馈，使构成线性放大电路、负反馈对放大电路的改善效果；
   如何引入正反馈，使构成非线性比较器电路。

2. 实验线路梳理：
   对照理论电路，关联各单元电路，关注可变式接口&级联方式，明确各可调电阻作用。

3. 实验内容分析：
   电流源电路&静态参数的调整方式，输入输出模式的接法，负反馈&正反馈的引入与实现，虚拟仪器设备&虚拟仪器软件的使用；
   预估各项内容的实验结果数据；
   拓展内容…

4. 实验调试与测试记录：
   实验过程遵循静态、整机、负反馈、正反馈顺序；
   实验板可采用单端/双端输入模式、同相/反相输出效果、注意观察交越失真现象；
   务必正确引入负反馈、正反馈。

5. 实验数据分析：
   现场需初步核对实验数据；
   实验报告中必须要分析理论与实际数据之间的差别。

6. 整体回顾与总结：
   实验完成后，可以在线上，或下次实验课时，以分享形式进行交流，了解不同同学之间的实验内容、结果、经验等，拓宽知识面。

实验原理及方案

1. 模拟电子技术基础课程的教学历史

集成运算放大器uA741内部电路

集成运算放大器uA741，以其优越的特性指标，时至今日仍然被广泛使用。早期的模拟电子技术基础课程中，一直将其内部电路（如上图所示）分析作为教学要点之一。

进入新世纪以来，随着集成电路制造工艺的不断完善和应用场景的不断扩大，课程的教学方向跟随实际情况，逐渐地偏向于集成运放的使用，对内部电路的讲解逐渐弱化，目前普遍停留在理论描述层面，对底层电路缺乏实际性了解。对应于实验环节中，经典的晶体管共射（单级）放大电路实验与集成运放实验应用之间，存在着针对直接耦合式多级放大电路实验的盲区。

2. 集成运算放大器的典型结构

集成运算放大器的典型结构

上图所示集成运算放大器的典型结构。包括：（A）由差分放大电路构成的输入级，具有高输入电阻、高共模抑制比和低温漂的特性；（B）由共射或共源电路构成的中间级，具有高电压增益的特性；（C）由互补对称共集电路构成的输出级，具有低输出电阻、较强带负载能力的特性；（D）由电流源电路构成的偏置电路，具有功耗低的特性，并为整体电路提供合适和稳定的静态工作点。

总体而言，这是一个由分立元件构成的直接耦合式多级放大电路。

3. 差分放大电路

基本差分放大电路

上图所示基本差分放大电路的典型电路。它是由参数对称的元件组成的对称电路，公共发射极上带有电流源电路，这一结构能有效地解决温度漂移（零点漂移）问题。差分放大电路有双端输入、单端输入两种输入方式，有双端输出、单端输出两种输出方式，能实现对差模信号放大、对共模信号抑制的效果。

4. 共射放大电路

晶体管共射（单级）放大电路

上图所示晶体管共射（单级）放大电路。在晶体管的三组态电路中，具有电压增益大、输入电阻大的特点，一般作为多级放大电路的中间级使用。

5. 互补对称共集电路

互补对称共集电路 交越失真

上图左所示互补对称共集电路，具有输出电阻小、输入电阻大、最大不失真输出电压大的特点。由于这是一个乙类放大电路，所以存在一个本质上的缺陷：交越失真（如上图右所示）。一般，通过给晶体管设置一个微小静态工作电流，使其称为甲乙类放大模式，从而有效地减弱交越失真。

6. 电流源电路

电流源电路

电流源电路具有输出电流稳定，交流等效电阻大等特点，可作为静态偏置电路，或有源高阻负载。电流源电路可以有多种结构，上图所示由晶体管构成的电流源电路（左图采用稳压二极管实现基极电压稳定，右图采用电阻分压方式实现基极电压基本稳定）。在一定条件下，负载R L电流恒定。

7. Analog Discovery装置 + WaveForms软件

随着计算机系统的快速发展，我们借助便携式实验设备，及其配套的数据采集和分析软件，打造了一款“便携式虚拟仪器实验平台”，通过软硬件结合的实践操作方式，帮助同学们有效提升实际动手能力。采用的便携式实验设备是：Analog Discovery装置。包括基础单元和配套的面包板（如下图所示）、电源线和通讯线等。

Analog Discovery装置（基础单元、面包板）

针对模拟电子电路，该装置提供的接口单元有：（A）±12V电源，可编程V±电源；（B）2路BNC或普通插座型示波器输入接口；（C）2路BNC或普通插座型信号发生器输出接口。

该装置配套的软件，可从相关网站下载。这是DIGILENT出品，能够无缝对接配合DIGILENT各类口袋、书包仪器使用的软件工具。通过图形化软件界面，实现包括电源、示波器（如下图左所示）、波形发生器（如下图右所示）、万用表、各类分析仪等在内的多种仪器功能，结合装置硬件，以及软件的数据采集、分析功能，能有效地替代实验室的传统仪器，帮助用户基于PC轻松实现各类模拟电子电路设计。

虚拟示波器 虚拟波形发生器

为更好地使用便携式实验装置，我们自主开发了适用于本实验的专用实验线路板（如下图所示）。

直接耦合式多级放大电路实验（专用）板

该实验板可替代原面包板，将实验板放入Discovery装置后，在实验板的上方左侧，可直接获取多路电源输出接口。针对常规的模拟电子技术实验，一般我们使用+12V、-12V和GND。上方偏右侧，分别是两组示波器、波形发生器转接头，使用时需要将它们连接至便携式设备底座上。

8. 电流源调试

调节电位器（下图所示红圈），实现电流源参数，以及差分放大电路静态工作点参数的调整。调整过程中，可用虚拟万用表测量相关参数并记录。

电流源参数调试

通过实验，学生可以实际掌握电流源电路的工作原理、参数调整方法，以及公共发射电路参数对差分放大电路的影响等。

9. 静态参数调试

调节电位器（下图所示红圈），实现差分放大电路静态工作点参数、整体电路静态工作点参数的调整。调整过程中，可用虚拟万用表测量相关参数并记录。

静态参数调试

通过实验，学生可以实际掌握直接耦合式多级放大电路中，极间静态工作点参数的相互影响，以及如何调整整机静态工作点参数的方法和原理等。

10. 单端输入模式测试

通过电路板上的切换开关，使差分放大电路采用单端输入（从Vs1输入信号，下图中蓝色波形）单端输出（下图中黄色波形）模式，用虚拟示波器测量相关波形并记录。

噪声（零输入零输出）

差分放大电路单元实现的反相（Vc1）输出、同相（Vc2）输出效果

差分放大电路采用反相（Vc1）输出时，整体电路的同相输出效果（左空载、右带载）

差分放大电路采用同相（Vc2）输出时，整体电路的反相输出效果（空载）

整体电路的交越失真效果（空载）

通过实验，学生可以实际掌握单端输入模式下，差分放大电路的同相/反相输出模式、多级放大电路的整机工作模式，以及观察到真实的交越失真效果等。

11. 双端输入模式测试

通过电路板上的切换开关，使差分放大电路采用双端输入（从Vs1、Vs2同时输入相同的信号，下图中蓝色波形）单端输出（下图中黄色波形）模式，用虚拟示波器测量相关波形并记录。

两路输入信号（重叠） 整体电路的输出效果

整体电路的同相输出、反相输出效果（空载）

通过实验，学生可以实际掌握多级放大电路的双端输入模式效果（比对前者单端输入模式）。

12. 负反馈放大电路测试

通过电路板上的切换开关，可引入反馈（如下左图所示）。注意，此处需要结合整体电路的输入输出结构，正确引入负反馈（反馈电阻如下右图所示）。用虚拟示波器测量相关波形并记录。

负反馈（切换开关、可调反馈电阻）

下图所示本实验可实现的同相、反相输入式比例运算电路。

实验等效原理图 同相输入式比例运算电路效果

实验等效原理图 反相输入式比例运算电路效果

通过实验，学生实现了由分立元件构成的集成运放功能电路，学会了负反馈支路的接入方式，同时对集成运放的底层工作原理等有了较为直观的认识。另外，结合理论课程中讲述的知识：负反馈能改善非线性失真等，所以，之前开环电路实验过程中存在的交越失真、零位偏移等现象，此时都没有了；由此，可进一步体会到负反馈的实际效果。

13. 比较器电路测试

通过电路板上的切换开关，结合整体电路的输入输出结构，正确引入正反馈，包括反相/同相输入式滞回比较器电路。用虚拟示波器测量相关波形并记录。

实验等效原理图 反相输入式滞回比较器电路效果

实验等效原理图 同相输入式滞回比较器电路效果

通过实验，学生实现了由分立元件构成的集成比较器电路，学会了正反馈支路的接入方式，同时对集成比较器的底层工作原理等有了较为直观的认识，体会到正反馈的实际效果。

14. 拓展电路测试

在前述实验项目基础上，学生还可以通过对实验板电路的进一步拓展分析，实现其它很多在理论课程中讲述过的功能电路（如下图所示）。可以用虚拟示波器测量相关波形并记录。

实验等效原理图 差分放大效果

实验等效原理图 积分电路效果

实验等效原理图 非正弦波发生器效果

此单元内容供学有余力，实验过程完成顺利，且对本实验有进一步兴趣的同学，拓展。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验所需各单元电路的基本工作原理分析，尤其是可调单元的调节原理；了解实验用线路板原理图；

2. 理论推导/计算各单元电路的可调范围，可通过仿真方式加以进一步验证；

3. 实验/调试过程，原始数据与波形记录，包括：静态参数、单端输入、双端输入（此部分可相对简略）、负反馈、正反馈等各个环节。

4. 数据分析，需要特别说明原始数据与理论值之间的差异性；

5. 整体实验过程中，包括前期分析、调试等阶段碰到的问题，包括问题描述、分析问题原因、解决问题方案，以及解决效果等记录；

6. 结合本次实验调试过程及方法等，总结说明对本次实验的体会及意见等。

考核要求与方法

1. 预习效果：实验开始前，以简单提问或线上问答的方式，考察学生对实验原理、实验任务的理解程度，了解学生的准备情况；约占总成绩的10%。

2. 实验过程：实验进程中，适时考察学生自主完成实验任务、实际解决问题、现场操作解决的能力等；约占总成绩的30%。

3. 实验结果：实验完成后，及时检查针对基本功能的完成程度、完成时间，以及实验操作熟练程度等；约占总成绩的20%。

4. 实验报告：主要考查原始数据的记录，针对原始数据的数据分析规范性与完整性、是否有拓展内容（拓展什么，怎么考虑的等）、实际过程中出现问题的现象描述及解决思路，以及实验心得体会与反思探究等；约占总成绩的40%。

项目特色或创新

从学生学习角度出发，通过实际操作，增进学生对集成电路底层单元的实际性了解，填补经典单级放大电路与集成运放之间，直接耦合式多级放大电路的实验盲区。

延伸理论教学，提升传统实验的高阶性和挑战性，帮助学生建立工程设计理念，以及解决工程应用问题的能力。

采用虚拟仪器测试，展示测试技术发展方向，提升实验兴趣感。