《模擬信號(hào)處理》課件：集成運(yùn)算放大器的原理與應(yīng)用

《模擬信號(hào)處理》：集成運(yùn)算放大器的原理與應(yīng)用本課程將深入探討集成運(yùn)算放大器的基本原理，學(xué)習(xí)其應(yīng)用電路，并探索特殊用途運(yùn)算放大器的應(yīng)用。課程大綱一、運(yùn)算放大器的工作原理理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)非理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)運(yùn)算放大器的基本工作原理運(yùn)算放大器的基本參數(shù)二、基本運(yùn)算放大器電路反相運(yùn)算放大器非反相運(yùn)算放大器加法運(yùn)算放大器差分運(yùn)算放大器積分運(yùn)算放大器微分運(yùn)算放大器三、運(yùn)算放大器的應(yīng)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(yùn)算放大器可編程運(yùn)算放大器負(fù)反饋放大器前饋放大器開(kāi)環(huán)放大器電流反饋放大器一、運(yùn)算放大器的工作原理11.運(yùn)算放大器的基本概念運(yùn)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(yīng)用于模擬電路設(shè)計(jì)中，例如放大、濾波、比較等。22.運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器通常由兩個(gè)或多個(gè)晶體管組成，組成差動(dòng)放大器、共射極放大器、電流源等，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部電路細(xì)節(jié)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是黑盒。33.運(yùn)算放大器的功能運(yùn)算放大器可以進(jìn)行多種運(yùn)算，如加法、減法、乘法、除法、積分、微分等，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、處理和轉(zhuǎn)換。1.理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)無(wú)限大開(kāi)環(huán)增益理想運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益為無(wú)窮大，即使輸入信號(hào)很小，也能獲得很大的輸出信號(hào)，這是運(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算的基礎(chǔ)。無(wú)限大輸入阻抗理想運(yùn)算放大器的輸入阻抗為無(wú)窮大，這意味著它不會(huì)從輸入信號(hào)中提取任何電流，從而保證輸入信號(hào)不受影響。零輸出阻抗理想運(yùn)算放大器的輸出阻抗為零，這意味著它可以向任何負(fù)載提供電流，不受負(fù)載阻抗影響。零輸入偏置電流理想運(yùn)算放大器的輸入偏置電流為零，這意味著它不會(huì)從輸入端引入任何電流，從而保證電路的精度。2.非理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)有限開(kāi)環(huán)增益實(shí)際運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益是有限的，通常為10^5到10^8，這會(huì)影響電路的性能。有限輸入阻抗實(shí)際運(yùn)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(huì)影響電路的輸入信號(hào)。非零輸出阻抗實(shí)際運(yùn)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(huì)影響電路的輸出信號(hào)。非零輸入偏置電流實(shí)際運(yùn)算放大器的輸入偏置電流是非零的，通常為微安級(jí)，這會(huì)影響電路的精度。3.運(yùn)算放大器的基本工作原理1輸入信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)被施加到兩個(gè)輸入端，分別是同相輸入端(+)和反相輸入端(-)。2差分放大運(yùn)算放大器內(nèi)部的差分放大器將兩個(gè)輸入信號(hào)的差值放大，并輸出一個(gè)放大后的差值信號(hào)。3反饋網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分反饋到反相輸入端，形成閉環(huán)。4輸出信號(hào)運(yùn)算放大器輸出端的電壓或電流取決于輸入信號(hào)和反饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算功能。4.運(yùn)算放大器的基本參數(shù)1開(kāi)環(huán)增益放大器沒(méi)有反饋時(shí)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的比值，通常以dB表示。2輸入阻抗運(yùn)算放大器輸入端的阻抗，反映了運(yùn)算放大器從輸入信號(hào)中提取電流的能力。3輸出阻抗運(yùn)算放大器輸出端的阻抗，反映了運(yùn)算放大器向負(fù)載提供電流的能力。4帶寬運(yùn)算放大器能正常工作的頻率范圍，通常以Hz表示。二、基本運(yùn)算放大器電路1基本運(yùn)算放大器電路2反相運(yùn)算放大器3非反相運(yùn)算放大器4加法運(yùn)算放大器5差分運(yùn)算放大器6積分運(yùn)算放大器7微分運(yùn)算放大器1.反相運(yùn)算放大器輸入信號(hào)輸入信號(hào)施加到運(yùn)算放大器的反相輸入端。反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)反饋到反相輸入端，形成負(fù)反饋。輸出信號(hào)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，其幅度由反饋網(wǎng)絡(luò)的阻值決定。2.非反相運(yùn)算放大器1輸入信號(hào)輸入信號(hào)施加到運(yùn)算放大器的同相輸入端。2反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)反饋到同相輸入端，形成正反饋。3輸出信號(hào)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，其幅度由反饋網(wǎng)絡(luò)的阻值決定。3.加法運(yùn)算放大器多個(gè)輸入信號(hào)多個(gè)輸入信號(hào)通過(guò)不同的電阻連接到反相輸入端。反饋電阻反饋網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)反饋電阻，將輸出信號(hào)反饋到反相輸入端。輸出信號(hào)輸出信號(hào)等于所有輸入信號(hào)的加權(quán)和，權(quán)重由各輸入電阻決定。4.差分運(yùn)算放大器5.積分運(yùn)算放大器輸入信號(hào)輸入信號(hào)通過(guò)電阻連接到反相輸入端。反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)電容，將輸出信號(hào)反饋到反相輸入端。輸出信號(hào)輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的時(shí)間積分，其幅度與輸入信號(hào)的大小和積分時(shí)間成正比。6.微分運(yùn)算放大器1輸入信號(hào)輸入信號(hào)通過(guò)電容連接到反相輸入端。2反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)電阻，將輸出信號(hào)反饋到反相輸入端。3輸出信號(hào)輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的時(shí)間微分，其幅度與輸入信號(hào)的變化率成正比。三、運(yùn)算放大器的應(yīng)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(gè)電壓進(jìn)行比較，并輸出高電平或低電平信號(hào)的電路，廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、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(cè)量微弱信號(hào)。濾波電路濾波電路是一種可以濾除信號(hào)中的特定頻率成分的電路，主要用于信號(hào)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(gè)模擬信號(hào)相乘的電路，主要用于信號(hào)調(diào)制、解調(diào)等。模擬除法器模擬除法器是一種可以將兩個(gè)模擬信號(hào)相除的電路，主要用于信號(hào)處理、控制等。1.電壓跟隨器輸入信號(hào)輸入信號(hào)直接連接到運(yùn)算放大器的同相輸入端。反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)直接反饋到反相輸入端。輸出信號(hào)輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)，增益為1，主要用于阻抗匹配和信號(hào)緩沖。2.電壓比較器輸入信號(hào)兩個(gè)輸入信號(hào)分別連接到運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端。比較運(yùn)算放大器內(nèi)部的差分放大器將兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較。輸出信號(hào)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(jí)放大儀表放大電路通常由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，分別進(jìn)行第一級(jí)放大、第二級(jí)放大和第三級(jí)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(hào)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(hào)通過(guò)，抑制高頻信號(hào)，用于濾除噪聲、信號(hào)平滑等。高通濾波器高通濾波器允許高頻信號(hào)通過(guò)，抑制低頻信號(hào)，用于濾除直流分量、信號(hào)增強(qiáng)等。帶通濾波器帶通濾波器允許特定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制其他頻段的信號(hào)，用于選擇特定頻率的信號(hào)。帶阻濾波器帶阻濾波器抑制特定頻段的信號(hào)，允許其他頻段的信號(hào)通過(guò)，用于濾除干擾信號(hào)。5.模擬乘法器1輸入信號(hào)兩個(gè)輸入信號(hào)分別連接到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端。2乘法操作運(yùn)算放大器內(nèi)部的乘法器將兩個(gè)輸入信號(hào)相乘，并將結(jié)果輸出。3輸出信號(hào)輸出信號(hào)等于兩個(gè)輸入信號(hào)的乘積，可以用于信號(hào)調(diào)制、解調(diào)等。6.模擬除法器輸入信號(hào)兩個(gè)輸入信號(hào)分別連接到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端。除法操作運(yùn)算放大器內(nèi)部的除法器將兩個(gè)輸入信號(hào)相除，并將結(jié)果輸出。輸出信號(hào)輸出信號(hào)等于兩個(gè)輸入信號(hào)的商，可以用于信號(hào)處理、控制等。四、特殊用途的運(yùn)算放大器1特殊用途運(yùn)算放大器2可編程運(yùn)算放大器3負(fù)反饋放大器4前饋放大器5開(kāi)環(huán)放大器6電流反饋放大器1.可編程運(yùn)算放大器可編程增益可編程運(yùn)算放大器的增益可以通過(guò)外部控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了電路的靈活性?？删幊處捒删幊踢\(yùn)算放大器的帶寬可以通過(guò)外部控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同頻率信號(hào)的處理需求。可編程電源電壓可編程運(yùn)算放大器的電源電壓可以通過(guò)外部控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。2.負(fù)反饋放大器1負(fù)反饋負(fù)反饋放大器是指將放大器的輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端，并與輸入信號(hào)相減。2穩(wěn)定性負(fù)反饋可以提高放大器的穩(wěn)定性，減少噪聲和失真，提高信號(hào)質(zhì)量。3精度負(fù)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(hào)的一部分直接反饋到輸出端，并與放大后的信號(hào)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(hào)質(zhì)量。帶寬擴(kuò)展前饋可以擴(kuò)展放大器的帶寬，提高電路的響應(yīng)速度。4.開(kāi)環(huán)放大器5.電流反饋放大器電流反饋電流反饋放