基于“陷阱式教学法”的同相比例运放电路
实验题目：基于“陷阱式教学法”的同相比例运放电路
1. 课程简要信息
课程名称：电子技术实验课程学时：课内 4适用专业：电子信息类专业学生年级：二年级、第一学期
2. 实验内容与任务
通过教师讲解及自己对资料的查询了解同相比例放大电路的构成，并按照指标设计制作一个放大电路。并对该电路进行完整的测试和整改，最终完成一个符合指标放大器的设计。
1） 查询同相比例放大电路设计相关资料，对该电路进行初步计算、仿真。
2）电路搭建与测量；
3） 根据零极点的概念，二次增加补偿网络、测量；
4） 根据实验记录进行比较，完成实验报告。
3. 实验过程及要求
系统指标：
1）正弦、方波；
2） 带宽 10KHz 至 10MHz（根据不同专业同学进行调整）；
3）增益50倍。
4. 相关知识及背景
同相比例放大电路在生物医疗、通讯等领域有着非常重要应用。如在眼球生物测量设备中，通过激光信号射入和回波的检测可以用来测量眼轴长度、晶状体形变等非接触测量生物参数。
图 1 眼球回波信号
由于激光回波能量非常微弱，依靠光电二极管产生的电流也非常微弱（μA级），而想放大该信号是该设备模拟电路设计中一个难点。通常我们会用到跨阻放大器（TIA）作为光学传感器（如光电二极管）的前端放大器，用于将传感器的输出电流转换为电压。跨阻放大器的概念很简单，即运算放大器（Opamp）两端的反馈电阻 $\bf ( R _ { F } )$ ）使用欧姆定律 $\mathbf { V _ { O U T } { = } I \times R F }$ 将电流（I）转换为电压（ $( \mathbf { V _ { O U T } } )$ 。
图 2 典型弱光电信号前置
而在实际电路中，如上图所示，寄生电容会与反馈电阻交互，在放大器的回路增益响应中形成不必要的极点和零点，使电路进入振荡等非正常工作状态。寄生输入和反馈电容的最常见来源包括光电二极管电容 $\mathbf { \Gamma } ( \mathbf { C _ { D } } )$ ）、运算放大器的共模（ $\mathbf { \sigma } _ { \mathbf { C } \mathbf { C } \mathbf { M } } )$ ）和差分输入电容（ $\bf ( C o u r F )$ ），以及电路板的电容（ $\bf ( C P C B )$ 。反馈电阻 $\mathbf { R } _ { \mathbf { F } }$ 并不理想，并且具有可能高达 $\mathbf { 0 . 2 p F }$ 的寄生并联电容。在高速 TIA 应用中，这些寄生电容相互交互，也会和 $\mathbf { R } _ { \mathbf { F } }$ 生成一个不理想的响应。为了实现一个信噪比在可用的放大电路，我们通常要增加一些器件或者调整一些电路器件的参数来破坏这些不必要的零、极点。
该实验中需要学生运用到的知识点有：
1） 运算放大器的虚短虚断原则；
2） 传递函数求解，零极点判断；
3） 电路仿真和设计软件的使用；
4） 常用实验仪器的使用。
5. 验环境条件
1） 仪器设备： 示波器，信号发生器，万用表，电源。
2） 软件工具： Tina。
3） 主要器件： 《磁吸式超耐久电子试验箱》。
6. 教学目标与目的
1）让学生能够更加了解实际电路和理想电路模型之间的区别；
2） 让学生生动理解数学中零、极点的概念。以及学会利用数学工具优化电路设计；
3） 锻炼学生调试能力；
4） 锻炼学生 EDA 软件使用能力。
7. 实验原理及方案
1） 系统结构
（注：虚线部分可根据实验室条件改为衰减电阻网络）
2） 实现方案
3） 一个用于同向比例运放的分布参数工作电路一般简化如下：
图 3 系统结构
图 5 实物图
图 4 典型应用电路
对一定的运放，, $\mathbf { C _ { 1 } }$ (芯片输入的寄生差分容值)， $\mathbf { C } _ { 3 } ( $ (芯片输入的寄生共模容值)也是固定的，其寄生容值 $\mathbf { C _ { s } }$ 也就是固定了，当放大倍数 $\mathbf { R } _ { \mathbf { F } }$ 固定的时候，其能达到的-3dB闭环带宽大约为：
$$ { \sf f } _ { - 3 \mathrm { d B } } = \sqrt { \frac { \mathsf { G B P } } { 2 \pi { \sf R } _ { \mathrm { F } } { \sf C } _ { 5 } } } ( { \sf H } z ) $$
但是由于前端的寄生电容 $\mathbf { C _ { s } }$ 和 $\mathbf { R } _ { \mathbf { f } }$ 会在噪声增益曲线上形成一个零点，导致运放的开环增益曲线和噪声增益曲线相交处的逼近速度为-40dB/dec，这样就会造成运放的不稳定，也就是会引起自激。其波特图如下：
图 4 补偿前的波特图
所以要达到这样一个稳定工作有一个前提,需要采用 $\mathbf { C } _ { \mathbf { F } }$ 来作补偿,在该曲线中引入一个极点，补偿后的曲线如下：
图 5 补偿后的波特图
所以需要让运放稳定工作，且达到最宽的2阶巴特沃斯频响，其 $\mathbf { C } _ { \mathbf { F } }$ 的取值如下：
$$ \frac { 1 } { 2 \pi \mathsf { R } _ { F } \mathsf { C } _ { F } } = \sqrt { \frac { \mathsf { G B P } } { 4 \pi \mathsf { R } _ { F } \mathsf { C } _ { 5 } } } $$
最终通过引入该补偿电容使电路进入一个较好的响应时间，如下仿真图所示：
图表 6 加完补偿的冲击响应
图表 7 未加补偿前的冲击响应
那么在设计该电路时同学们应该通过自己的计算，设计一个合理的补偿网络，实现对零点的破坏。最终，使电路进入理想工作状态。
8. 教学实施进程
该实验整个时间安排如下表所示：
表 8 实施进程安排
| 任务 具体内容 | 时间安排 | |
| 基本讲解、指标(教师） | 1.原理讲解2. 基本软、硬件条件提供说明3.指标：带宽、增益、信噪比 | 课内1课时 |
| 设计/搭建（学生） | 1.根据虚短虚断原则搭建基本同相比例放大电路2.测量指标 | 课内1课时 |
| 测试、优化、报告总结（学生） | 1. EDA 仿真2. 二次调优3. 通过最终指标做总结报告 | 课内1课时 |
| 考核(教师) | 1. 实测参数2. 报告打分3. 理论问答 | 课内1课时 |
| 总课时 | 4课时课内（2课时课外） | |
9. 实验报告要求
实验报告需要反映以下工作：
- 实验需求分析
- 实现方案论证
- 理论推导计算
- 电路设计与参数选择
- 电路软件仿真
- 电路测试方法
- 实验数据记录
- 数据处理分析
- 实验结果总结
10.考核要求与方法（限 300 字）
| 考核项目 描述 | 评分 | |
| 操作分 | 1．功能实现2. 参数测量（梯度给分）3工艺评分 | 50 |
| 报告打分 | 1.理论问答2. 调试心得 | 20 |
| 1. 结构完整2. 理论分析是否完备3.娄数据记录详细与否 | 30 | |
| 总分 | 100 | |
11.项目特色或创新
项目的特色在于：
- 参数灵活，难度有梯度，实验过程由浅入深，难度有梯度，面向不同基础学生。2. 充分引入数学、自控原理工具，可以使学生更加生动理解传递函数、零极点等数学概念。3. 可维护性强（自研磁吸试验箱，示波器(大于 100Mhz)、信号发生器（大于 10Mhz）实验室都具备）。