《运算放大器基础》课件

运算放大器基础运算放大器是电子学中一种重要的模拟电路元件。它是一种高增益、低输入电流、低输入电压的差动放大器。by课程大纲运算放大器基础介绍运算放大器的工作原理、分类、理想特性和实际特性。运算放大器电路分析学习反相放大电路、非反相放大电路、差动放大电路和电压跟随器等基本电路。运算放大器应用探讨运算放大器在加法器、减法器、积分器、微分器、比较器、仪表放大器和滤波器等领域的应用。运算放大器的工作原理运算放大器是一种高增益的电子器件，通常用于放大微弱信号。它是一种差动放大器，它将两个输入端的电压差放大并输出。1差动放大将两个输入端的电压差放大2高增益放大微弱信号3反馈控制通过负反馈控制输出运算放大器的分类通用运算放大器通用运算放大器是最常见的类型，适用于各种应用，从音频放大到信号处理。精密运算放大器精度高，低噪声，适用于需要高精度和低漂移的应用，例如数据采集和仪器。高速运算放大器高带宽，低延迟，适用于高速信号处理和模拟信号转换，例如数据通信和数字信号处理。专用运算放大器针对特定应用设计，具有独特的功能和特性，例如音频放大器、视频放大器、仪表放大器。理想运算放大器的特性无限大增益理想运算放大器具有无限大的开环增益，这意味着即使输入信号非常小，输出也会被放大到无限大。无限大输入阻抗理想运算放大器具有无限大的输入阻抗，这意味着它不会从信号源汲取任何电流，从而不会影响信号源的输出。零输入电流理想运算放大器没有输入电流，这意味着两个输入端之间没有电流流动。零输出阻抗理想运算放大器具有零输出阻抗，这意味着它可以驱动任何负载而不影响其输出电压。实际运算放大器的特性1有限带宽实际运算放大器在高频情况下性能下降。2非零输入阻抗输入信号会因输入电流而受到影响。3非零输出阻抗输出信号会因负载电流而受到影响。4非理想增益增益并非无限大，且受频率影响。运算放大器的参数开环增益开环增益表示运算放大器没有反馈时输出电压与输入电压之比。它通常非常高，但会随着频率的变化而下降。输入偏置电流输入偏置电流是指运算放大器两个输入端流过的电流之差。它会影响运算放大器的输出电压，需要进行适当的补偿。共模抑制比共模抑制比表示运算放大器对共模信号的抑制能力，反映了运算放大器对差模信号的放大能力。带宽带宽是指运算放大器能够正常工作的频率范围。频率越高，增益越低，反之亦然。偏置电流及其影响运算放大器输入端存在微小的偏置电流，流入或流出输入端。偏置电流会对输入信号造成误差，导致输出信号失真。偏置电流的影响与输入阻抗成反比，输入阻抗越高，影响越小。偏置电流的影响可以通过适当的设计和补偿措施来减小。输入电压失调和补偿1输入电压失调即使输入端电压相等，实际运算放大器的输出端也可能存在非零电压。2失调电压输入电压失调电压通常用Vos表示，它是一个小电压，可以被认为是两个输入端之间的微小电压差。3原因失调电压是由运算放大器内部不匹配引起的，例如晶体管的特性差异和制造工艺的变化。4补偿可以使用外部电位器来补偿失调电压，通过调整电位器来使输出电压为零。共模抑制比(CMRR)定义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公式CMRR=Ad/Acm单位分贝(dB)意义衡量运算放大器抑制共模信号的能力CMRR越高，运算放大器对共模信号的抑制能力越强，电路的抗干扰性能越好。开环增益和闭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。闭环增益是指运算放大器有反馈的情况下，输出电压与输入电压之比。开环增益通常非常高，可以达到几百万甚至上亿倍。而闭环增益则由反馈网络决定，通常远小于开环增益，并且可以精确控制。开环增益闭环增益带宽和增益带宽积运算放大器的带宽是指其能够正常工作的频率范围。增益带宽积是指运算放大器的开环增益与带宽的乘积。增益带宽积是一个重要的参数，它反映了运算放大器的性能，例如信号放大能力和频率响应特性。1MHz带宽运算放大器的带宽通常在1MHz到100MHz之间。10^6增益带宽积增益带宽积通常为10^6Hz。输入和输出阻抗运算放大器输入阻抗指的是输入端对信号源的负载能力。高输入阻抗可以减小信号源的负载，保证信号源的输出电压不变。理想情况下，运算放大器输入阻抗为无穷大，实际情况下，输入阻抗一般在兆欧姆量级。运算放大器输出阻抗指的是输出端对负载的驱动能力。低输出阻抗可以保证输出电压稳定，不受负载变化的影响。理想情况下，运算放大器输出阻抗为零，实际情况下，输出阻抗一般在几十欧姆到几百欧姆之间。1M输入阻抗兆欧姆100输出阻抗欧姆运算放大器的理想电路模型理想运算放大器模型简化了实际运算放大器的复杂性，便于分析和设计电路。理想运算放大器具有无限大的开环增益、零输入阻抗、无限大的输出阻抗、零偏置电流、零输入电压失调和无限带宽。反相放大电路1输入信号通过电阻R1连接到运算放大器的反相输入端2反馈电阻电阻R2连接到运算放大器的输出端和反相输入端3输出信号输出电压与输入电压成反比反相放大电路的输出电压与输入电压成反比，放大倍数由反馈电阻和输入电阻之比决定。反相放大电路常用于信号的衰减和反转，以及模拟电路中进行信号的减法运算。非反相放大电路电路结构非反相放大电路中，输入信号接入运算放大器的同相输入端，输出信号从运算放大器的输出端获取。信号处理输入信号经过运算放大器放大后，输出信号与输入信号同相，放大倍数由反馈电阻和输入电阻决定。应用场景非反相放大电路常用于信号放大、阻抗匹配和电压跟随等应用。差动放大电路1基本原理差动放大电路是一种将两个输入信号之间的差值放大的电路。它利用两个匹配的运算放大器构成，分别放大两个输入信号，然后将两个输出信号相减。2优势差动放大电路具有抑制共模噪声的能力，提高信号质量，并且具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。3应用广泛应用于信号放大、滤波、传感器信号采集等领域，例如仪表放大器、传感器前端信号处理等。电压跟随器1输入信号直接传递到输出端2增益为1输出电压等于输入电压3高输入阻抗不加载信号源4低输出阻抗能够驱动负载电压跟随器是一种特殊的运算放大器电路，它具有增益为1的特性，这意味着输出电压等于输入电压。由于其高输入阻抗和低输出阻抗，电压跟随器通常用于缓冲电路，以隔离信号源和负载，防止信号源的负载效应。运算放大器的典型应用信号放大运算放大器可以用于放大各种信号，例如音频信号、视频信号、传感器信号等。滤波电路利用运算放大器构建各种滤波电路，例如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，用于信号处理。模拟开关运算放大器可以用于构建模拟开关，用于控制信号的通路，例如音频切换电路。仪表放大器运算放大器可以用于构建仪表放大器，用于测量微弱的信号，例如温度传感器、压力传感器等。加法运算电路1输入信号两个或多个输入信号2电阻网络将输入信号加权求和3运算放大器放大并输出加法结果加法运算电路是利用运算放大器将多个输入信号进行加和。通过电阻网络，将每个输入信号乘以对应的权重系数，然后将这些加权信号相加，最后通过运算放大器放大输出。加法运算电路可以广泛应用于音频处理、信号合成和图像处理等领域。减法运算电路电路原理减法运算电路利用两个输入信号，分别通过反相放大器和非反相放大器，再将两个放大后的信号进行相加。电路组成通常由两个运算放大器、电阻网络和输入信号组成。其中，电阻网络的作用是实现信号的加权。应用领域减法运算电路在信号处理、仪器控制和数据采集等领域有着广泛的应用。积分电路1电容充放电积分电路利用电容充放电来实现积分功能。2电阻控制电流输入信号通过电阻产生电流，电流大小与输入电压成正比。3运算放大器运算放大器提供高增益，确保积分电路稳定工作。微分电路1输入信号微分微分电路将输入信号的变化率转换为输出电压2电容和电阻组合电容与电阻串联，用于实现微分运算3高频信号放大微分电路对高频信号变化更敏感，输出电压更大4应用用于边缘检测、波形整形等比较器电路比较器电路的原理比较器电路是将两个输入信号进行比较，根据比较结果输出高电平或低电平。典型应用比较器电路广泛应用于各种电子设备中，例如温度传感器、压力传感器、光传感器等。温度控制系统压力控制系统光敏电阻电路基本结构比较器电路通常由一个运算放大器和一个参考电压组成。工作原理当输入信号大于参考电压时，输出为高电平；当输入信号小于参考电压时，输出为低电平。仪表放大电路1高输入阻抗仪表放大器具有极高的输入阻抗，可有效地防止被测信号源的负载效应。2高共模抑制比仪表放大器能够有效地抑制共模噪声，提高信号的信噪比。3高增益仪表放大器可以实现高增益放大，适用于弱信号放大，例如生物医学信号检测。滤波电路1低通滤波器允许低频信号通过，抑制高频信号2高通滤波器允许高频信号通过，抑制低频信号3带通滤波器允许特定频段的信号通过，抑制其他频段信号4带阻滤波器抑制特定频段的信号，允许其他频段信号通过滤波器是用来消除或衰减信号中不需要的频率成分的电路，广泛应用于音频、视频、通信等领域。模拟开关电路1概述模拟开关电路利用运算放大器的快速开关特性，将输入信号切换到不同的输出路径，实现信号的选通、隔离、多路复用