清华大学电路原理课件-运算放大器

清华大学电路原理经典课件——运算放大器本课件是清华大学电路原理课程的经典教材，由多位知名教授共同编写，内容涵盖了运算放大器的基本原理、特性分析、典型应用电路等，并配有丰富的图示和示例。课程介绍清华大学清华大学是一所享有盛誉的顶尖学府，在电子工程领域拥有深厚的学术积淀。电路原理电路原理是电子工程的基础课程，是学习更高级课程的必备基础。运算放大器运算放大器是一种重要的模拟电路元件，广泛应用于各种电子系统。运算放大器的基本概念运算放大器是一种高增益、低输出阻抗的电子放大器，广泛应用于模拟电路设计中。运算放大器可以对输入信号进行放大、加减、微分、积分等运算，实现各种复杂的功能。理想运算放大器的特性1无限大增益理想运算放大器具有无限大的开环增益，任何微小的输入信号都会被放大到无限大。2无限大输入阻抗理想运算放大器具有无限大的输入阻抗，这意味着它不会从输入端吸收任何电流，无论输入信号的大小。3零输出阻抗理想运算放大器具有零输出阻抗，这意味着它可以提供无限的电流到负载，无论负载阻抗的大小。4无限带宽理想运算放大器具有无限的带宽，这意味着它可以放大所有频率的信号。理想运算放大器的等效电路理想运算放大器的等效电路可以用一个电压控制电压源来表示，其中输入端之间的电压差被放大成输出电压，而输出电流由输入端之间的电压差控制。该等效电路可以帮助我们更好地理解运算放大器的特性和工作原理，并在实际应用中进行电路设计和分析。基本运算放大电路基本运算放大电路构成更复杂电路的基础。通过结合运算放大器和反馈网络，可以实现各种运算功能。电压跟随器输出电压等于输入电压，用于阻抗匹配和信号缓冲。反相放大器输出电压与输入电压相位相反，用于信号放大和相位反转。非反相放大器输出电压与输入电压相位相同，用于信号放大和增益调节。加法运算放大电路1电路原理加法运算放大电路利用运放的特性，将多个输入信号进行叠加，实现信号的加法运算。2电路结构该电路通常采用多个电阻，将输入信号分别接入到运放的非反相输入端，并通过电阻网络将信号叠加到输出端。3应用场景加法运算放大电路应用广泛，例如在音频信号处理、信号合成、数据采集等领域都有重要应用。减法运算放大电路电路结构减法运算放大电路主要由两个反相放大器组成，分别用于处理两个输入信号。工作原理电路利用两个反相放大器的特性，将两个输入信号的差值放大，输出到输出端。应用场景减法运算放大电路广泛应用于差动信号处理、信号滤波、以及模拟信号的增益控制等领域。反相放大电路1输入信号输入信号经过电阻R1接入运算放大器。2反相输入端输入信号通过R1接入运算放大器的反相输入端。3输出端输出信号从运算放大器的输出端输出。4反馈电阻反馈电阻R2用于将一部分输出信号反馈到反相输入端。反相放大电路的输出电压与输入电压成反比，即输入电压为正，输出电压为负，反之亦然。反相放大电路可以实现对信号的放大和反相。非反相放大电路1输入信号接入非反相输入端信号通过电阻R1接入2反馈电阻R2连接输出端与非反相输入端3虚拟短路原理非反相输入端和反相输入端电压相等4输出电压由输入信号和电阻比值决定非反相放大电路的输出电压与输入电压同相，放大倍数大于1。该电路广泛应用于音频放大、电压跟随器等应用中。差动放大电路1差模输入信号差动放大电路可放大两个输入信号之间的差异。电路对两输入信号的共同变化（共模信号）具有较高的抑制能力。2共模抑制比共模抑制比（CMRR）反映了电路抑制共模信号的能力。CMRR越高，电路对共模信号的抑制能力越强，放大效果越好。3应用场景差动放大电路广泛应用于音频系统、传感器接口和数据采集等领域。例如，差动放大电路可用于放大微弱信号，并抑制噪声干扰。共模抑制比定义共模抑制比(CMRR)描述了运算放大器抑制共模信号的能力。它表示差模增益与共模增益的比值，通常以分贝(dB)表示。意义较高的CMRR表示运算放大器对差模信号敏感，对共模信号不敏感，这对于放大微弱的差模信号至关重要。影响因素CMRR受运算放大器内部结构和制造工艺影响，良好的设计和制造工艺有助于提高CMRR。实际应用在实际应用中，CMRR是衡量运算放大器性能的重要指标，它直接影响着信号处理的精度和稳定性。开环增益定义运算放大器没有反馈时，输出电压与输入电压之比特征通常非常高，典型值可达100,000甚至更高影响开环增益决定了运算放大器放大信号的能力，但会降低带宽电压跟随器电路电路结构电压跟随器电路由一个运算放大器和一个反馈电阻组成，其中反馈电阻直接连接到运算放大器的输出端和输入端。工作原理由于反馈电阻的存在，运算放大器输出电压将等于输入电压，因此该电路又称为电压缓冲器。特点电压跟随器电路具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此可以用于信号缓冲和阻抗匹配。应用电压跟随器电路广泛应用于音频放大器、传感器接口、模拟信号处理等领域，用于提升信号质量和改善电路性能。反馈放大电路简介放大器的应用放大器广泛应用于电子系统中，例如音频设备、无线电接收器和计算机。反馈的概念反馈是指将放大器的输出信号的一部分反馈到输入端。反馈可以用来控制放大器的增益、稳定性以及频率响应。负反馈放大电路的特性1增益稳定性负反馈可以使电路增益稳定，不受元器件参数变化影响。2带宽增大负反馈可以将带宽扩展，提高电路的响应速度。3减小失真负反馈可以减少非线性失真，提高信号质量。4提高输入阻抗负反馈可以增加电路的输入阻抗，减少信号源的负载。正反馈放大电路的特性振荡正反馈会导致信号放大，并可能导致电路振荡。振荡频率由电路参数决定。不稳定性正反馈会导致电路变得不稳定，容易受到噪声和干扰的影响。高增益正反馈可以实现更高的增益，但会降低电路的稳定性。稳定性分析1闭环增益分析反馈系统稳定性2频率响应判断是否出现振荡3相位裕度衡量系统稳定程度4增益裕度判断系统稳定性运算放大器作为一种重要的反馈放大电路，其稳定性对于电路正常工作至关重要。稳定性分析主要是通过分析闭环增益、频率响应、相位裕度和增益裕度等指标来判断电路是否稳定。通过稳定性分析，可以了解电路在不同频率下的性能表现，避免出现振荡或失稳的情况。补偿网络设计1频率响应补偿改善运算放大器在高频下的稳定性2频率补偿技术引入极点或零点，塑造理想频率响应3补偿网络类型电容补偿、RC网络补偿、多级补偿补偿网络设计是提高运算放大器稳定性的关键。通过合理设计补偿网络，可以降低运算放大器在高频下的增益，减小振荡风险，实现稳定的工作状态。频率补偿技术频率补偿技术运放内部电路存在寄生电容，导致高频时放大倍数下降。补偿网络通过在运放输出端并联电容，引入负反馈，抑制高频振荡。改善稳定性频率补偿使运放的频率特性平滑，避免高频振荡，提高电路稳定性。提高稳定性频率补偿使运放的频率响应曲线更平滑，确保系统稳定运行。运算放大器的频率特性运算放大器的频率特性反映了增益随频率的变化关系。一般来说，运算放大器的增益会随着频率的增加而下降。类比运算放大器应用运算放大器是一种重要的模拟电路元件，广泛应用于各种模拟电路的设计。运算放大器可以进行多种数学运算，如加法、减法、乘法、除法、积分、微分等。类比运算放大器可以用来实现各种模拟电路的功能，例如滤波器、积分器、微分器、比较器等。这些电路应用广泛，在信号处理、控制系统、数据采集等领域发挥着重要作用。模拟滤波器的设计滤波器类型选择根据需求选择合适的滤波器类型，例如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器。电路设计根据选择的滤波器类型和频率特性，设计相应的电路，通常使用运算放大器、电容和电阻等器件。参数调整通过调整电路参数，例如电容和电阻的值，来优化滤波器的频率特性和性能。测试与验证对设计的滤波器电路进行测试，验证其是否满足预期性能要求，并进行必要调整。模拟积分电路1输入信号通过电容充电2电容电压随时间累积3输出电压积分结果模拟积分电路通过电容的充电特性实现对输入信号的积分操作。当输入电压改变时，电容会相应地充电或放电，电容电压会随时间累积，最终反映在输出电压上。模拟微分电路1输入信号微分电路的输入信号，通常为时变信号2电容电容充放电速度取决于输入信号的变化率3输出电压输出电压与输入信号的变化率成正比模拟微分电路利用电容的充放电特性来实现对输入信号微分运算。电路中电容的充放电速度与输入信号的变化率成正比，输出电压则与电容两端的电压变化率成正比。微分电路广泛应用于模拟信号处理领域，例如边缘检测、频率响应分析等。模拟比较器电路1基本原理模拟比较器将两个输入信号进行比较，输出一个代表比较结果的数字信号。2工作模式比较器具有两种主要工作模式：开环和闭环。3应用场景模拟比较器广泛用于各种应用，例如模拟-数字转换（ADC），过压/欠压保护，电压控制振荡器（VCO）。模拟乘法器电路1四象限乘法器基于电流镜像原理2双极型晶体管实现乘法运算3电压控制电流源产生比例电流模拟乘法器电路将两个输入信号相乘，产生一个与两个输入信号乘积成比例的输出信号。四象限乘法器是最常用的类型，它能够处理正负输入信号。模拟除法器电路基本原理利用运算放大器的反相放大特性，将被除数信号输入反相输入端，除数信号输入非反相输入端，并结合一个固定电阻，实现模拟除法运算。电路结构通常采用反相放大电路，其中除数信号经过一个固定电阻后作为反馈信号，被除数信号输入反相输入端，输出电压即为被除数与除数的比值。应用场景模拟除法器电路广泛应用于模拟信号处理、自动控制、数据采集等领域，可实现对模拟信号的除法运算，例如实现信号幅度的比例控制。注意事项需考虑运算放大器的特性，例如带宽、共模抑制比等，以保证电路的稳定性和精度。选择合适的电阻值和运算放大器型号，以满足实际应用需求。实际运算放大器的参数输入失调电压输入失调电压是指理想情况下输入端为零电压时，运算放大器输出端实际输出的电压值。输入失调电流输入失调电流是指理想情况下输入端为零电流时，运算放大器输入端实际流过的电流值。共模抑制比共模抑制比是指运算放大器对差模信号的放大倍数与对共模信号的放大倍数之比。开环增益开环增益是指运算放大器没有反馈的情况下，输出电压与输入电压之比。实验演示利用搭建的电路板，对运算放大器