清華大學(xué)電路原理課件-運算放大器

清華大學(xué)電路原理經(jīng)典課件——運算放大器本課件是清華大學(xué)電路原理課程的經(jīng)典教材，由多位知名教授共同編寫，內(nèi)容涵蓋了運算放大器的基本原理、特性分析、典型應(yīng)用電路等，并配有豐富的圖示和示例。課程介紹清華大學(xué)清華大學(xué)是一所享有盛譽的頂尖學(xué)府，在電子工程領(lǐng)域擁有深厚的學(xué)術(shù)積淀。電路原理電路原理是電子工程的基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)更高級課程的必備基礎(chǔ)。運算放大器運算放大器是一種重要的模擬電路元件，廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)。運算放大器的基本概念運算放大器是一種高增益、低輸出阻抗的電子放大器，廣泛應(yīng)用于模擬電路設(shè)計中。運算放大器可以對輸入信號進行放大、加減、微分、積分等運算，實現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。理想運算放大器的特性1無限大增益理想運算放大器具有無限大的開環(huán)增益，任何微小的輸入信號都會被放大到無限大。2無限大輸入阻抗理想運算放大器具有無限大的輸入阻抗，這意味著它不會從輸入端吸收任何電流，無論輸入信號的大小。3零輸出阻抗理想運算放大器具有零輸出阻抗，這意味著它可以提供無限的電流到負載，無論負載阻抗的大小。4無限帶寬理想運算放大器具有無限的帶寬，這意味著它可以放大所有頻率的信號。理想運算放大器的等效電路理想運算放大器的等效電路可以用一個電壓控制電壓源來表示，其中輸入端之間的電壓差被放大成輸出電壓，而輸出電流由輸入端之間的電壓差控制。該等效電路可以幫助我們更好地理解運算放大器的特性和工作原理，并在實際應(yīng)用中進行電路設(shè)計和分析?；具\算放大電路基本運算放大電路構(gòu)成更復(fù)雜電路的基礎(chǔ)。通過結(jié)合運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)各種運算功能。電壓跟隨器輸出電壓等于輸入電壓，用于阻抗匹配和信號緩沖。反相放大器輸出電壓與輸入電壓相位相反，用于信號放大和相位反轉(zhuǎn)。非反相放大器輸出電壓與輸入電壓相位相同，用于信號放大和增益調(diào)節(jié)。加法運算放大電路1電路原理加法運算放大電路利用運放的特性，將多個輸入信號進行疊加，實現(xiàn)信號的加法運算。2電路結(jié)構(gòu)該電路通常采用多個電阻，將輸入信號分別接入到運放的非反相輸入端，并通過電阻網(wǎng)絡(luò)將信號疊加到輸出端。3應(yīng)用場景加法運算放大電路應(yīng)用廣泛，例如在音頻信號處理、信號合成、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。減法運算放大電路電路結(jié)構(gòu)減法運算放大電路主要由兩個反相放大器組成，分別用于處理兩個輸入信號。工作原理電路利用兩個反相放大器的特性，將兩個輸入信號的差值放大，輸出到輸出端。應(yīng)用場景減法運算放大電路廣泛應(yīng)用于差動信號處理、信號濾波、以及模擬信號的增益控制等領(lǐng)域。反相放大電路1輸入信號輸入信號經(jīng)過電阻R1接入運算放大器。2反相輸入端輸入信號通過R1接入運算放大器的反相輸入端。3輸出端輸出信號從運算放大器的輸出端輸出。4反饋電阻反饋電阻R2用于將一部分輸出信號反饋到反相輸入端。反相放大電路的輸出電壓與輸入電壓成反比，即輸入電壓為正，輸出電壓為負，反之亦然。反相放大電路可以實現(xiàn)對信號的放大和反相。非反相放大電路1輸入信號接入非反相輸入端信號通過電阻R1接入2反饋電阻R2連接輸出端與非反相輸入端3虛擬短路原理非反相輸入端和反相輸入端電壓相等4輸出電壓由輸入信號和電阻比值決定非反相放大電路的輸出電壓與輸入電壓同相，放大倍數(shù)大于1。該電路廣泛應(yīng)用于音頻放大、電壓跟隨器等應(yīng)用中。差動放大電路1差模輸入信號差動放大電路可放大兩個輸入信號之間的差異。電路對兩輸入信號的共同變化（共模信號）具有較高的抑制能力。2共模抑制比共模抑制比（CMRR）反映了電路抑制共模信號的能力。CMRR越高，電路對共模信號的抑制能力越強，放大效果越好。3應(yīng)用場景差動放大電路廣泛應(yīng)用于音頻系統(tǒng)、傳感器接口和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。例如，差動放大電路可用于放大微弱信號，并抑制噪聲干擾。共模抑制比定義共模抑制比(CMRR)描述了運算放大器抑制共模信號的能力。它表示差模增益與共模增益的比值，通常以分貝(dB)表示。意義較高的CMRR表示運算放大器對差模信號敏感，對共模信號不敏感，這對于放大微弱的差模信號至關(guān)重要。影響因素CMRR受運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝影響，良好的設(shè)計和制造工藝有助于提高CMRR。實際應(yīng)用在實際應(yīng)用中，CMRR是衡量運算放大器性能的重要指標，它直接影響著信號處理的精度和穩(wěn)定性。開環(huán)增益定義運算放大器沒有反饋時，輸出電壓與輸入電壓之比特征通常非常高，典型值可達100,000甚至更高影響開環(huán)增益決定了運算放大器放大信號的能力，但會降低帶寬電壓跟隨器電路電路結(jié)構(gòu)電壓跟隨器電路由一個運算放大器和一個反饋電阻組成，其中反饋電阻直接連接到運算放大器的輸出端和輸入端。工作原理由于反饋電阻的存在，運算放大器輸出電壓將等于輸入電壓，因此該電路又稱為電壓緩沖器。特點電壓跟隨器電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此可以用于信號緩沖和阻抗匹配。應(yīng)用電壓跟隨器電路廣泛應(yīng)用于音頻放大器、傳感器接口、模擬信號處理等領(lǐng)域，用于提升信號質(zhì)量和改善電路性能。反饋放大電路簡介放大器的應(yīng)用放大器廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)中，例如音頻設(shè)備、無線電接收器和計算機。反饋的概念反饋是指將放大器的輸出信號的一部分反饋到輸入端。反饋可以用來控制放大器的增益、穩(wěn)定性以及頻率響應(yīng)。負反饋放大電路的特性1增益穩(wěn)定性負反饋可以使電路增益穩(wěn)定，不受元器件參數(shù)變化影響。2帶寬增大負反饋可以將帶寬擴展，提高電路的響應(yīng)速度。3減小失真負反饋可以減少非線性失真，提高信號質(zhì)量。4提高輸入阻抗負反饋可以增加電路的輸入阻抗，減少信號源的負載。正反饋放大電路的特性振蕩正反饋會導(dǎo)致信號放大，并可能導(dǎo)致電路振蕩。振蕩頻率由電路參數(shù)決定。不穩(wěn)定性正反饋會導(dǎo)致電路變得不穩(wěn)定，容易受到噪聲和干擾的影響。高增益正反饋可以實現(xiàn)更高的增益，但會降低電路的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析1閉環(huán)增益分析反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性2頻率響應(yīng)判斷是否出現(xiàn)振蕩3相位裕度衡量系統(tǒng)穩(wěn)定程度4增益裕度判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性運算放大器作為一種重要的反饋放大電路，其穩(wěn)定性對于電路正常工作至關(guān)重要。穩(wěn)定性分析主要是通過分析閉環(huán)增益、頻率響應(yīng)、相位裕度和增益裕度等指標來判斷電路是否穩(wěn)定。通過穩(wěn)定性分析，可以了解電路在不同頻率下的性能表現(xiàn)，避免出現(xiàn)振蕩或失穩(wěn)的情況。補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計1頻率響應(yīng)補償改善運算放大器在高頻下的穩(wěn)定性2頻率補償技術(shù)引入極點或零點，塑造理想頻率響應(yīng)3補償網(wǎng)絡(luò)類型電容補償、RC網(wǎng)絡(luò)補償、多級補償補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是提高運算放大器穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過合理設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)，可以降低運算放大器在高頻下的增益，減小振蕩風(fēng)險，實現(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。頻率補償技術(shù)頻率補償技術(shù)運放內(nèi)部電路存在寄生電容，導(dǎo)致高頻時放大倍數(shù)下降。補償網(wǎng)絡(luò)通過在運放輸出端并聯(lián)電容，引入負反饋，抑制高頻振蕩。改善穩(wěn)定性頻率補償使運放的頻率特性平滑，避免高頻振蕩，提高電路穩(wěn)定性。提高穩(wěn)定性頻率補償使運放的頻率響應(yīng)曲線更平滑，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。運算放大器的頻率特性運算放大器的頻率特性反映了增益隨頻率的變化關(guān)系。一般來說，運算放大器的增益會隨著頻率的增加而下降。類比運算放大器應(yīng)用運算放大器是一種重要的模擬電路元件，廣泛應(yīng)用于各種模擬電路的設(shè)計。運算放大器可以進行多種數(shù)學(xué)運算，如加法、減法、乘法、除法、積分、微分等。類比運算放大器可以用來實現(xiàn)各種模擬電路的功能，例如濾波器、積分器、微分器、比較器等。這些電路應(yīng)用廣泛，在信號處理、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。模擬濾波器的設(shè)計濾波器類型選擇根據(jù)需求選擇合適的濾波器類型，例如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器或帶阻濾波器。電路設(shè)計根據(jù)選擇的濾波器類型和頻率特性，設(shè)計相應(yīng)的電路，通常使用運算放大器、電容和電阻等器件。參數(shù)調(diào)整通過調(diào)整電路參數(shù)，例如電容和電阻的值，來優(yōu)化濾波器的頻率特性和性能。測試與驗證對設(shè)計的濾波器電路進行測試，驗證其是否滿足預(yù)期性能要求，并進行必要調(diào)整。模擬積分電路1輸入信號通過電容充電2電容電壓隨時間累積3輸出電壓積分結(jié)果模擬積分電路通過電容的充電特性實現(xiàn)對輸入信號的積分操作。當輸入電壓改變時，電容會相應(yīng)地充電或放電，電容電壓會隨時間累積，最終反映在輸出電壓上。模擬微分電路1輸入信號微分電路的輸入信號，通常為時變信號2電容電容充放電速度取決于輸入信號的變化率3輸出電壓輸出電壓與輸入信號的變化率成正比模擬微分電路利用電容的充放電特性來實現(xiàn)對輸入信號微分運算。電路中電容的充放電速度與輸入信號的變化率成正比，輸出電壓則與電容兩端的電壓變化率成正比。微分電路廣泛應(yīng)用于模擬信號處理領(lǐng)域，例如邊緣檢測、頻率響應(yīng)分析等。模擬比較器電路1基本原理模擬比較器將兩個輸入信號進行比較，輸出一個代表比較結(jié)果的數(shù)字信號。2工作模式比較器具有兩種主要工作模式：開環(huán)和閉環(huán)。3應(yīng)用場景模擬比較器廣泛用于各種應(yīng)用，例如模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），過壓/欠壓保護，電壓控制振蕩器（VCO）。模擬乘法器電路1四象限乘法器基于電流鏡像原理2雙極型晶體管實現(xiàn)乘法運算3電壓控制電流源產(chǎn)生比例電流模擬乘法器電路將兩個輸入信號相乘，產(chǎn)生一個與兩個輸入信號乘積成比例的輸出信號。四象限乘法器是最常用的類型，它能夠處理正負輸入信號。模擬除法器電路基本原理利用運算放大器的反相放大特性，將被除數(shù)信號輸入反相輸入端，除數(shù)信號輸入非反相輸入端，并結(jié)合一個固定電阻，實現(xiàn)模擬除法運算。電路結(jié)構(gòu)通常采用反相放大電路，其中除數(shù)信號經(jīng)過一個固定電阻后作為反饋信號，被除數(shù)信號輸入反相輸入端，輸出電壓即為被除數(shù)與除數(shù)的比值。應(yīng)用場景模擬除法器電路廣泛應(yīng)用于模擬信號處理、自動控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，可實現(xiàn)對模擬信號的除法運算，例如實現(xiàn)信號幅度的比例控制。注意事項需考慮運算放大器的特性，例如帶寬、共模抑制比等，以保證電路的穩(wěn)定性和精度。選擇合適的電阻值和運算放大器型號，以滿足實際應(yīng)用需求。實際運算放大器的參數(shù)輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓是指理想情況下輸入端為零電壓時，運算放大器輸出端實際輸出的電壓值。輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流是指理想情況下輸入端為零電流時，運算放大器輸入端實際流過的電流值。共模抑制比共模抑制比是指運算放大器對差模信號的放大倍數(shù)與對共模信號的放大倍數(shù)之比。開環(huán)增益開環(huán)增益是指運算放大器沒有反饋的情況下，輸出電壓與輸入電壓之比。實驗演示利用搭建的電路板，對運算放大器