《模擬信號處理》：集成運算放大器的原理與應用本課程將深入探討集成運算放大器的基本原理，學習其應用電路，并探索特殊用途運算放大器的應用。課程大綱一、運算放大器的工作原理理想運算放大器的特點非理想運算放大器的特點運算放大器的基本工作原理運算放大器的基本參數二、基本運算放大器電路反相運算放大器非反相運算放大器加法運算放大器差分運算放大器積分運算放大器微分運算放大器三、運算放大器的應用電路電壓跟隨器電壓比較器儀表放大電路濾波電路模擬乘法器模擬除法器四、特殊用途的運算放大器可編程運算放大器負反饋放大器前饋放大器開環放大器電流反饋放大器一、運算放大器的工作原理11.運算放大器的基本概念運算放大器是一種高增益、低失真、高輸入阻抗、低輸出阻抗的集成電路，廣泛應用于模擬電路設計中，例如放大、濾波、比較等。22.運算放大器的基本結構運算放大器通常由兩個或多個晶體管組成，組成差動放大器、共射極放大器、電流源等，其結構復雜，內部電路細節對我們來說是黑盒。33.運算放大器的功能運算放大器可以進行多種運算，如加法、減法、乘法、除法、積分、微分等，實現對信號的放大、處理和轉換。1.理想運算放大器的特點無限大開環增益理想運算放大器的開環增益為無窮大，即使輸入信號很小，也能獲得很大的輸出信號，這是運算放大器進行運算的基礎。無限大輸入阻抗理想運算放大器的輸入阻抗為無窮大，這意味著它不會從輸入信號中提取任何電流，從而保證輸入信號不受影響。零輸出阻抗理想運算放大器的輸出阻抗為零，這意味著它可以向任何負載提供電流，不受負載阻抗影響。零輸入偏置電流理想運算放大器的輸入偏置電流為零，這意味著它不會從輸入端引入任何電流，從而保證電路的精度。2.非理想運算放大器的特點有限開環增益實際運算放大器的開環增益是有限的，通常為10^5到10^8，這會影響電路的性能。有限輸入阻抗實際運算放大器的輸入阻抗是有限的，通常為10^6到10^12歐姆，這會影響電路的輸入信號。非零輸出阻抗實際運算放大器的輸出阻抗是非零的，通常為幾十到幾百歐姆，這會影響電路的輸出信號。非零輸入偏置電流實際運算放大器的輸入偏置電流是非零的，通常為微安級，這會影響電路的精度。3.運算放大器的基本工作原理1輸入信號運算放大器的輸入信號被施加到兩個輸入端，分別是同相輸入端(+)和反相輸入端(-)。2差分放大運算放大器內部的差分放大器將兩個輸入信號的差值放大，并輸出一個放大后的差值信號。3反饋網絡運算放大器的輸出信號通過反饋網絡的一部分反饋到反相輸入端，形成閉環。4輸出信號運算放大器輸出端的電壓或電流取決于輸入信號和反饋網絡的結構，可以實現不同的運算功能。4.運算放大器的基本參數1開環增益放大器沒有反饋時輸入信號與輸出信號的比值，通常以dB表示。2輸入阻抗運算放大器輸入端的阻抗，反映了運算放大器從輸入信號中提取電流的能力。3輸出阻抗運算放大器輸出端的阻抗，反映了運算放大器向負載提供電流的能力。4帶寬運算放大器能正常工作的頻率范圍，通常以Hz表示。二、基本運算放大器電路1基本運算放大器電路2反相運算放大器3非反相運算放大器4加法運算放大器5差分運算放大器6積分運算放大器7微分運算放大器1.反相運算放大器輸入信號輸入信號施加到運算放大器的反相輸入端。反饋網絡反饋網絡將運算放大器的輸出信號反饋到反相輸入端，形成負反饋。輸出信號輸出信號與輸入信號反相，其幅度由反饋網絡的阻值決定。2.非反相運算放大器1輸入信號輸入信號施加到運算放大器的同相輸入端。2反饋網絡反饋網絡將運算放大器的輸出信號反饋到同相輸入端，形成正反饋。3輸出信號輸出信號與輸入信號同相，其幅度由反饋網絡的阻值決定。3.加法運算放大器多個輸入信號多個輸入信號通過不同的電阻連接到反相輸入端。反饋電阻反饋網絡包含一個反饋電阻，將輸出信號反饋到反相輸入端。輸出信號輸出信號等于所有輸入信號的加權和，權重由各輸入電阻決定。4.差分運算放大器5.積分運算放大器輸入信號輸入信號通過電阻連接到反相輸入端。反饋網絡反饋網絡包含一個電容，將輸出信號反饋到反相輸入端。輸出信號輸出信號是輸入信號的時間積分，其幅度與輸入信號的大小和積分時間成正比。6.微分運算放大器1輸入信號輸入信號通過電容連接到反相輸入端。2反饋網絡反饋網絡包含一個電阻，將輸出信號反饋到反相輸入端。3輸出信號輸出信號是輸入信號的時間微分，其幅度與輸入信號的變化率成正比。三、運算放大器的應用電路電壓跟隨器電壓跟隨器是一種將輸入電壓直接傳遞到輸出端的電路，其增益為1，主要用于阻抗匹配。電壓比較器電壓比較器是一種將兩個電壓進行比較，并輸出高電平或低電平信號的電路，廣泛應用于信號檢測、控制等。儀表放大電路儀表放大電路是一種高精度、高共模抑制比的放大電路，主要用于測量微弱信號。濾波電路濾波電路是一種可以濾除信號中的特定頻率成分的電路，主要用于信號處理、噪聲抑制等。模擬乘法器模擬乘法器是一種可以將兩個模擬信號相乘的電路，主要用于信號調制、解調等。模擬除法器模擬除法器是一種可以將兩個模擬信號相除的電路，主要用于信號處理、控制等。1.電壓跟隨器輸入信號輸入信號直接連接到運算放大器的同相輸入端。反饋網絡反饋網絡將運算放大器的輸出信號直接反饋到反相輸入端。輸出信號輸出信號等于輸入信號，增益為1，主要用于阻抗匹配和信號緩沖。2.電壓比較器輸入信號兩個輸入信號分別連接到運算放大器的同相輸入端和反相輸入端。比較運算放大器內部的差分放大器將兩個輸入信號進行比較。輸出信號如果同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，則輸出高電平；反之，則輸出低電平。3.儀表放大電路三級放大儀表放大電路通常由三個運算放大器組成，分別進行第一級放大、第二級放大和第三級放大。高輸入阻抗儀表放大電路的輸入阻抗很高，可以最大程度地減少輸入信號的損失。高共模抑制比儀表放大電路的共模抑制比很高，可以有效地抑制共模噪聲。4.濾波電路低通濾波器低通濾波器允許低頻信號通過，抑制高頻信號，用于濾除噪聲、信號平滑等。高通濾波器高通濾波器允許高頻信號通過，抑制低頻信號，用于濾除直流分量、信號增強等。帶通濾波器帶通濾波器允許特定頻段的信號通過，抑制其他頻段的信號，用于選擇特定頻率的信號。帶阻濾波器帶阻濾波器抑制特定頻段的信號，允許其他頻段的信號通過，用于濾除干擾信號。5.模擬乘法器1輸入信號兩個輸入信號分別連接到運算放大器的兩個輸入端。2乘法操作運算放大器內部的乘法器將兩個輸入信號相乘，并將結果輸出。3輸出信號輸出信號等于兩個輸入信號的乘積，可以用于信號調制、解調等。6.模擬除法器輸入信號兩個輸入信號分別連接到運算放大器的兩個輸入端。除法操作運算放大器內部的除法器將兩個輸入信號相除，并將結果輸出。輸出信號輸出信號等于兩個輸入信號的商，可以用于信號處理、控制等。四、特殊用途的運算放大器1特殊用途運算放大器2可編程運算放大器3負反饋放大器4前饋放大器5開環放大器6電流反饋放大器1.可編程運算放大器可編程增益可編程運算放大器的增益可以通過外部控制信號進行調節，提高了電路的靈活性。可編程帶寬可編程運算放大器的帶寬可以通過外部控制信號進行調節，滿足不同頻率信號的處理需求。可編程電源電壓可編程運算放大器的電源電壓可以通過外部控制信號進行調節，適應不同的工作環境。2.負反饋放大器1負反饋負反饋放大器是指將放大器的輸出信號的一部分反饋到輸入端，并與輸入信號相減。2穩定性負反饋可以提高放大器的穩定性，減少噪聲和失真，提高信號質量。3精度負反饋可以提高放大器的精度，減少誤差，提高電路的性能。3.前饋放大器前饋前饋放大器是指將放大器的輸入信號的一部分直接反饋到輸出端，并與放大后的信號相加。增益控制前饋可以提高放大器的增益，減少非線性失真，提高信號質量。帶寬擴展前饋可以擴展放大器的帶寬，提高電路的響應速度。4.開環放大器5.電流反饋放大器電流反饋電流反饋放