运算放大器

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

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

运 算 放 大 器

简介

operational amplifier。可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻

抗和低输出阻抗的放大器。

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当。

运算放大器的发展历史

第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。

运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum

tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想

运 算 放 大 器

简介

operational amplifier。可以对电信号进行运算，一般具有高增益、高输入阻

抗和低输出阻抗的放大器。

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当。

运算放大器的发展历史

第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。

运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum

tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想

实验七 运算放大器设计实验

一、实验目的

1. 综合运用所学知识设计相应的运放电路。

二、实验内容

1. 电路如图所示。求出输入电压Vi1、Vi2（采用阶跃信号）与输出电压Vo

的关系，并用Pspice绘出相应图形。（运放采用741）R22用一个电容替代其结构会怎样变化？

其电路图如下：

0V5R21100kU1V1R12TD = 0TF = 0.1nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0VTR = 0V2 = 0.6V50k3-15VdcR2250kU2R265100k32-15Vdc0V74V-OS14uA74110OUT+V-OS1uA741165V+OS2OUT+15VdcV+700V415VdcV2R3TD = 0TF = 0.1nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0VTR = 0V2 = 0.8V33kOS2V6700其波形图如下所示：

有波形图可知：红色和绿色线条分别代表输入电压V2和V1，蓝色线条表示V1经过第一个运算器后电压变为原来的-(R21/R1)=-2倍，即-1.2V，该输出电压和另外一个0.8V的输入电

压一起进入一个加法器，输出电压V=1.2（R22/R2)+0.8(R22/R3)=1.8V

实验七 运算放大器设计实验

一、实验目的

1. 综合运用所学知识设计相应的运放电路。

二、实验内容

1. 电路如图所示。求出输入电压Vi1、Vi2（采用阶跃信号）与输出电压Vo

的关系，并用Pspice绘出相应图形。（运放采用741）R22用一个电容替代其结构会怎样变化？

其电路图如下：

0V5R21100kU1V1R12TD = 0TF = 0.1nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0VTR = 0V2 = 0.6V50k3-15VdcR2250kU2R265100k32-15Vdc0V74V-OS14uA74110OUT+V-OS1uA741165V+OS2OUT+15VdcV+700V415VdcV2R3TD = 0TF = 0.1nsPW = 5msPER = 10msV1 = 0VTR = 0V2 = 0.8V33kOS2V6700其波形图如下所示：

有波形图可知：红色和绿色线条分别代表输入电压V2和V1，蓝色线条表示V1经过第一个运算器后电压变为原来的-(R21/R1)=-2倍，即-1.2V，该输出电压和另外一个0.8V的输入电

压一起进入一个加法器，输出电压V=1.2（R22/R2)+0.8(R22/R3)=1.8V

常用运算放大器,参数和选型

常用运算放大器，参数和选型

通用廉价运算放大器。这些廉价的运放除OP07用于直流外，其它的一般不用于直流电路。

1．OP07，这是在各类文章中用得最多的运放，国产型号F07，低漂移，低噪声，增益带宽 积不到1MHZ，其中以MAXIM的OP07AJ的品质最好。特别适用于直流放大，对带宽要求不高的

场合，价格便宜。工业级的OP07性能超好，但是很贵（100块以上）。

2．LM324，廉价的四路运放，增益带宽积1MHZ，开环直流增益100DB，适合低电压场合，音

频场合也用，最主要优势是便宜。工业级的用LM124代替，LM124在广普屯的报价是14块一

只，性能不错的，很难烧坏。

3．TL084,廉价4运放。

4．LM741，增益带宽积1MHZ，适合小信号交流放大，输出能力较小

5．LM1458，廉价的双路运放，实际是两个LM741封装在一起，和LM741一样基本上要被淘汰了，双运放的场合用TL084代替就行了。

宽带运算放大器。适合于交流放大，这类运放的直流漂移一般较大。

1．NE5532，增益带宽积10MHZ，输出电流50mA，输出阻抗低，适合于要求较高的交流放大场合，总线驱动，信号驱动等。双运放。

2．NE5534,增益带宽积10MHZ，比

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