【电赛培训】运算放大器、滤波器

一、放大器基础

在数字电路发明之前，使用的都是模拟计算机，其中最重要的器件就是运算放大器，模拟电路的速度远高于数字电路，例如：CPU是数字电路，最高主频可达到4或5个G，而模拟电路几乎没有上限，只要电路做的好，便可以轻松达到10GHz甚至100GHz。所以，模拟电路的优点是运算速度比较快，缺点是硬件电路较为复杂。

运放的基本特性：虚短和虚短。
虚短的本质是放大器的开环增益A→∞，Vout是定值，A无穷大，所以VP-VN=0，即VP=VN。
虚断可看做输入阻抗Rin→∞，UPN/Rin=IPN→0。

线性放大器：输入 × 增益 = 输出

放大器分为四类：

1.电压放大器

电压放大器一般用戴维南定理进行分析。（运放）
输入和输出均为电压。
Vs和Rs是信号源的电压和电阻，Ri是输入电阻，Aoc是开路电压增益，Ro是输出电阻，Vo是输出电压，RL是阻性负载。
由于电源前级的串联阻抗的存在会产生前加载效应，在电路后级会产生后加载效应，加载效应的存在会导致整体的放大倍数小于Aoc。理想的运放没有加载效应，即理想情况下输入阻抗Ri=∞，输出阻抗Ro=0。

2.电流放大器

电流放大器一般用诺顿定理进行分析。（功放）
输入和输出均为电流。
分析过程与电压放大器类似，也具有加载效应，加载效应的存在会导致整体的放大倍数小于Asc（短路电流增益）。理想的运放没有加载效应，即理想情况下输入阻抗Ri=0，输出阻抗Ro=∞。

3.跨导放大器

输入为电压，输出为电流。
电阻R=V/I，电导G=I/V。
有关电压的输入阻抗越大越好，有关电流的输入阻抗越小越好，有关电压的输出阻抗越小越好，有关电流的输出阻抗越大越好。

4.跨阻放大器

输入为电流，输出为电压。

二、运算放大器

1.同相放大器

2.电压跟随器

电池内部有电阻，如果负载的阻值与内阻阻值匹配的话，会导致负载两端的电压降低，此时就需要加电压跟随器，可以消除加载效应。

3.反相放大器

4.求和放大器

5.差分放大器

6.微分器

三角波→方波

7.积分器

8.仪表放大器

有些专门的仪表放大器将其他电阻都放在了芯片的内部，使用者只需要调节RG的阻值大小即可改变放大倍数。

当AB同时上升就是共模干扰当只有A上升就是差模干扰。

三、电流—电压（I-V）转换

电流—电压（I-V）转换又称“跨阻放大器”

由数电知识可知，所谓的逻辑0是4mA，逻辑1是20mA（常用于长距离传输）

四、电压—电流（V-I）转换

电压—电流（V-I）转换又称“跨导放大器”

五、滤波器

1.常见无源滤波器的分类

常见的滤波器有：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、陷波器、梳状滤波器等。

实际应用：
假如需要的频率是50Hz，则截止频率fc一般为它的5~10倍。电容具有通高频阻低频的特性。

2.无源滤波器推导

Vi可以是交流也可以是直流。

当Z1=R,Z2=C时，构成RC低通滤波器。

当Z1=C,Z2=R时，构成CR高通滤波器。
除此之外还有LC滤波器（二阶）、π型滤波器（三阶）、T型滤波器（三阶）等。

滤波器的阶数越大越好，滤波器的阶数不同，滚降率不同，阶数越高滚降率越高。阶数每增加一阶会提供-20dB/dec（-20dB每十倍频程）。

3.为什么要有源？

4.典型有源滤波器——Sallen-key结构

电容有通高频阻低频的特性。
红线表示高频信号，蓝线表示低频信号。

六、实际运算放大器参数

1.增益带宽积（Gain Bandwidth Product,GBWP）

带宽是输入信号的最高频率，增益是放大倍数。

2.共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio,CMRR）

3.压摆率（Slew Rate,SR）

4.轨到轨（Rail-to-Rail）

轨到轨：

非轨到轨：

七、滤波器设计软件——Filter Solutions

按需求进行参数配置

生成幅频响应和相频响应的曲线

生成电路图

通过右上角的 Caps Select可以选择所需要的元件的精度，可以将元器件的参数改为常见的大小。

八、滤波器的应用