TI大学计划系列教程（一）运算放大器

德州仪器（Texas Instruments，简称TI）是全球领先的半导体产品供应商，在数字信号处理器（DSP）和模拟产品领域拥有极高的市场份额。TI大学计划系列教程旨在为中国大学生创新活动提供简化选型指南，帮助他们快速了解TI的高性能模拟器件。本系列教程的第一本聚焦于运算放大器，这是模拟电子设计中不可或缺的组成部分，广泛应用于信号放大、信号处理、滤波等场合。 运算放大器的基础知识涵盖了其工作原理、电路模型、理想运放的特点以及实际电路中应用的原理。理想运放模型是电路设计的理论基础，包括“虚短”和“虚断”两个概念，分别代表理想运放的输入端口呈现为短路和断路状态。在实际应用中，放大器的选型需要依据其开环增益、闭环增益和环路增益等关键指标来确定。此外，放大器的直流精度和交流精度也是重要的性能参数。 放大器的直流精度包括输入端和输出端的直流指标，如输入失调电压、输入偏置电流等。交流精度则关注放大器在交流信号作用下的性能，如频带宽度、谐波失真等。在设计精密放大器时，TI提供了一系列精密运算放大器产品，并给出了选型步骤和方法。 运算放大器的供电方式对电路设计同样至关重要。传统的双电源供电方式虽然具有优势，但在某些应用场合中，单电源供电因其实现简单、成本低廉而更受青睐。TI大学计划系列教程提供了单电源运放的设计方法和基本偏置方法。 为了适应不同的应用场景，放大器可能需要采用不同的类型。教程中详细介绍了各种差动放大器的设计和原理，包括差分放大器、仪表放大器、电流检测放大器和全差分运算放大器。其中，差分放大器能够抑制共模信号，而只放大差模信号，对于抑制噪声非常有效。 放大器的稳定性是电路设计中不可忽视的问题。运算放大器可能因为各种原因而变得不稳定，例如，当反馈环路设计不当，或者放大器的工作频率过高时。教程中讲解了使用波特图分析运算放大器稳定性的方法，并且介绍了通过修改Aol和1/β的方法来改善稳定性。 高速放大器的选型也是一个重要话题。高速放大器的关键指标包括带宽、增益、压摆率等，它们决定了放大器对高速信号的处理能力。TI提供的高速放大器包括Bipolar和FET输入的放大器，以及电压反馈和电流反馈型放大器。这些放大器各有特点，例如电压反馈放大器通常带宽较宽，而电流反馈放大器具有更快的压摆率。在实际应用中，需要根据电路需求来选择合适的放大器。 除了放大器本身的设计，信号链的后端处理也非常重要。有源滤波器设计是信号链中常见的环节，其基本原理和设计方法也是教程的重点内容。滤波器设计时，需要考虑合适的运放以及滤波器的阶数，以达到所需的性能。TI提供了Webench等工具来辅助设计和模拟滤波器的性能。 教程的最后部分还涉及了一些模拟设计的小知识和技巧，例如CMOS运放的THD+N（总谐波失真加噪声）指标、单电源运放的轨到轨输入和输出问题，以及输入偏置电流对电路性能的影响。 总体而言，TI大学计划系列教程为大学生提供了全面的模拟电子设计基础知识，包括运算放大器的原理、设计、选型，以及如何在现代电子系统中应用。通过教程的学习，大学生可以更深入地理解模拟器件的应用，并在实际的创新活动中发挥所学，提高电子系统设计的能力和效率。同时，教程也强调了模数混合系统设计的重要性，鼓励学生在设计中注重模拟与数字电路的结合。