集成运算放大器的基本运用模拟运算电路

2

集成运算放大器的基本运用

一．实验目的

1．了解集成运算放大器（?A 741）和集成电压比较器（LM393）的使用方法。

2．掌握由集成运放构成比例，加法，积分基本运算电路及其工作原理。 3．掌握文氏电桥正弦振荡电路的高速及频率测量方法。 4．了解迟滞电压比较器的特点及电压传输特性的测试方法。

5．熟悉用双踪示波器的扫描方法及X—Y工作方式测量波形的幅值，相位及电压传输特性。 二．实验仪器和器材 1．直流稳压电源 一台

2．交流正弦信号发生器 一台 3．双踪示波器 一台 4．器件

集成运放 ?A 741*1

双比较器 LM393*1 二极管 2CP10*1 稳压管 2CW13*2

电容 0.01?F*1 0.022?F*2

电阻 1KΩ*2 2KΩ*2 10KΩ*3 15KΩ*2 20KΩ*1 24KΩ*1 51KΩ*2 100KΩ*2 1MΩ*1 电位器 2.2KΩ*1

三．实验内容和步骤

1.比例运算

1按下图比例运算电路接线,测好电

第1章 集成运算放大器

集成运算放大器也简称为“运放”，是一种十分理想的增益器件。它的工作特性非常接近于理想情况，实际工作性能也非常接近于理论计算水平。这表明利用集成运算放大器可以使电路设计变得非常简单。它可以广泛地应用于涉及模拟信号处理的各个领域。

由于集成运算放大器内部是由大量的晶体管组成的。考虑到晶体管电路的工作原理在后面章节中介绍，因此本章仅将运算放大器作为一个电路器件来对待。有关运算放大器内部电路的分析详见本书后面相关章节的相关内容。

本章主要介绍理想运算放大器的工作性能与端口特性，详细分析运算放大器的同相、反相及差分三种基本方式的工作原理与性能特点，熟悉运算放大器的基本应用与电路设计。通过本章的学习，读者可以掌握常用运放电路的分析，也可以自主设计放大电路。

1．1理想运算放大器的功能与特性 1．1．1运算放大器的电路符号与端口

从信号的观点来看，运算放大器有两个输入端和一个输出端。运算放大器的电路符号如图1-1-1(a)所示。其中端口1和端口2为输入端，端口3为输出端。

1 2 ∞ A 3 1 2 4 VCC ∞ A 3 (a) 5 -VEE (b)

图1-1-1 运算放大器的电路符号及端口

从供电的观点来看，大多数运算放大

第四章集成运算放大电路

第一节学习要求

第二节集成运算放大器中的恒流源

第三节差分式放大电路

第四节集成电路运算放大器

第五节集成电路运算放大器的要紧参数

第六节场效应管简介

第一节学习要求

1. 掌握差不多镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结构及差不多特性。

2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。

3. 掌握差不多型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。

4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比。会计算A VD、R id、 R ic、 R od、 R oc、K CMR。

5．熟悉运放的要紧技术指标及集成运算放大电路的一般电路

结构。

学习重点：

掌握集成运放的差不多电路的分析方法

学习难点：

集成运放内部电路的分析

集成电路简介

集成电路是在一小块 P型硅晶片衬底上，制成多个晶体管 ( 或FET)、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。

集成电路在结构上的特点：

1. 采纳直接耦合方式。

2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象,采纳了温度补偿的手段 ----输入级是差放电路。

3. 大量采纳BJT或FET构成恒流源 ,代替大阻值R ,或用于设置静态电流。

4. 采纳复合管接法

一、 电路原理分析与计算

1. 反相比例运算电路

输入信号从反相输入端引入的运算，便是反相运算。反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间。根据运算放大器工作在线性区时的虚开路原则可知：i-＝0，因此i1＝if。电路如图1所示，

RF100kΩR124V312 V XMM1U1A110kΩ38TL082CDV1500mV R29.1kΩV212 V 图1

根据运算放大器工作在线性区时的虚短路原则可知：u-＝u+＝0。 由此可得： u0??因此闭环电压放大倍数为：

Auo?uoRf?? uiR1Rfui R12. 同相比例运算电路

输入信号从同相输入端引入的运算，便是同相运算。电路如图2所示，

RF10kΩV312 V XMM14U1A1238TL082CDR210kΩUi1100mV V212 V

图2

根据运算放大器工作在线性区时的分析依据：虚短路和虚开路原则

因此得： uo?(1?Rf)ui R1

开环电压放大倍数 Auf?uoRf?1? uiR13. 反相输入加法运算电路

摘 要

摘 要

运算放大器是模拟集成电路中最重要的，通用的单元模块，增益和单位增益带宽是衡量运算放大器性能优劣的两个最重要的指标，长期以来不断地提高运放的增益和单位增益带宽指标一直是高性能运放设计的努力方向之一。同时随着便携式应用和生物医学应用的发展，低电源电压，低功耗模拟和混合信号集成电路的需求也会增大，所以，低电压低功耗的运算放大器设计也是非常必要的

本文对衬底驱动MOSFET技术进行了研究和分析，对不同结构的放大器电路进行了对比，在此基础上设计了一个输入级为衬底驱动的高带宽高增益运算放大器电路。运放采用两级结构，输入级为衬底驱动的差动输入对结构，有效避开了阈值电压的限制。

电路基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计，在1.8V的电源电压下采用Cadence Spectre软件进行仿真，并完成多种工艺角下的AC特性仿真。最终测得直流开环增益为81.08dB，单位增益带宽42.14MHz，相位裕度PM=65.93°，输出电压范围为273mV~1.59V，功耗为864μW。

关键词：模拟集成电路 衬底驱动 跨导运算放大器 高带宽高增益

ABSTRACT

ABSTRACT

Operational amplifier is the

摘 要

摘 要

运算放大器是模拟集成电路中最重要的，通用的单元模块，增益和单位增益带宽是衡量运算放大器性能优劣的两个最重要的指标，长期以来不断地提高运放的增益和单位增益带宽指标一直是高性能运放设计的努力方向之一。同时随着便携式应用和生物医学应用的发展，低电源电压，低功耗模拟和混合信号集成电路的需求也会增大，所以，低电压低功耗的运算放大器设计也是非常必要的

本文对衬底驱动MOSFET技术进行了研究和分析，对不同结构的放大器电路进行了对比，在此基础上设计了一个输入级为衬底驱动的高带宽高增益运算放大器电路。运放采用两级结构，输入级为衬底驱动的差动输入对结构，有效避开了阈值电压的限制。

电路基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计，在1.8V的电源电压下采用Cadence Spectre软件进行仿真，并完成多种工艺角下的AC特性仿真。最终测得直流开环增益为81.08dB，单位增益带宽42.14MHz，相位裕度PM=65.93°，输出电压范围为273mV~1.59V，功耗为864μW。

关键词：模拟集成电路 衬底驱动 跨导运算放大器 高带宽高增益

ABSTRACT

ABSTRACT

Operational amplifier is the

第八章 运算放大器应用

§8.1 比例运算电路

8.1.1 反相比例电路 1. 基本电路

电压并联负反馈输入端虚短、虚断

特点：

反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低 输出电阻小，带负载能力强

要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 2. T型反馈网络

虚短、虚断

8.1.2 同相比例电路

1. 基本电路：电压串联负反馈

输入端虚短、虚断

特点：

输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强

V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模 抑制比要求高 2. 电压跟随器

输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小

§8.2 加减运算电路

8.2.1 求和电路 1. 反相求和电路 虚短、虚断

特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 2. 同相求和电路 虚短、虚断

8.2.2 单运放和差电路

8.2.3 双运放和差电路

例1:设计一加减运算电路

设计一加减运算电路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3 解：用双运放实现

如果选Rf

常用运算放大器电路 (全集)

下面是[常用运算放大器电路 (全集)]的电路图

常用OP电路类型如下:

1. Inverter Amp. 反相位放大电路:

放大倍数为Av = R2 / R1但是需考虑规格之Gain-Bandwidth数值。 R3 = R4 提供 1 / 2 电源偏压 C3 为电源去耦合滤波 C1, C2 输入及输出端隔直流 此时输出端信号相位与输入端相反 2. Non-inverter Amp. 同相位放大电路:

放大倍数为Av=R2 / R1 R3 = R4提供 1 / 2电源偏压 C1, C2, C3 为隔直流

此时输出端信号相位与输入端相同 3. Voltage follower 缓冲放大电路:

O/P输出端电位与I/P输入端电位相同 单双电源皆可工作

4. Comparator比较器电路:

I/P 电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位 I/P 电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位

R2 = 100 * R1 用以消除Hysteresis状态, 即为强化O/P输出端, Logic高低电位差距，以提高比较器的灵敏度. (R1=10 K, R2=1 M)

单双电源皆

第五章 模拟集成电路及运算放大器的应用

教学内容：

电流源工作原理；差分放大电路的分析和计算；集成运算放大器及主要技术指标，理想运算放大器及其组成的各种运算电路,实际运算放大器运算电路的误差分析。 教学要求：

1、熟悉集成运放的组成及各部分作用，正确理解集成运放主要指标的物理意义； 2、了解电流源的工作原理； 3、了解LM324的工作原理及应用 重点、难点：

集成运放的电路组成及各部分作用，集成运放主要性能指标的物理意义及选用。 教学方法：

讲授法、讨论法 教学时数：

12学时 教学过程：

5.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 5.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源

T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

VBE2=VBE1，IE2=IE1 ，IC2=IC1

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

IO?IC2?IREF?动态电阻

VCC?VBE?(?VEE)VCC?VEE?RR

ro?(?iC2?1)?vCE2IB2?rce

一般ro在几百千欧以上

?IC1??IC1?T?????IC0??IR??VR(IRR)??VB??IB?

1. 电路简单，应用广泛；

2. 要求IC1电流较大情况下

常用运算放大器电路 (全集)

下面是[常用运算放大器电路 (全集)]的电路图

常用OP电路类型如下:

1. Inverter Amp. 反相位放大电路:

放大倍数为Av = R2 / R1但是需考虑规格之Gain-Bandwidth数值。 R3 = R4 提供 1 / 2 电源偏压 C3 为电源去耦合滤波 C1, C2 输入及输出端隔直流 此时输出端信号相位与输入端相反 2. Non-inverter Amp. 同相位放大电路:

放大倍数为Av=R2 / R1 R3 = R4提供 1 / 2电源偏压 C1, C2, C3 为隔直流

此时输出端信号相位与输入端相同 3. Voltage follower 缓冲放大电路:

O/P输出端电位与I/P输入端电位相同 单双电源皆可工作

4. Comparator比较器电路:

I/P 电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位 I/P 电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位

R2 = 100 * R1 用以消除Hysteresis状态, 即为强化O/P输出端, Logic高低电位差距，以提高比较器的灵敏度. (R1=10 K, R2=1 M)

单双电源皆