集成运算放大器的原理及应用

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

集成运算放大器的分类与应用

摘 要：集成运算放大器在模拟电路中发挥的作用越来越重要，其应用已经延伸到汽车电子、通信电子产品、消费电子产品等各个领域，简单了解集成运放的分类及其一些常规的应用。

关键词：集成运算放大器；分类；应用

The classification of integrated operational amplifier with

applications

Abstract：In analogue circuit integrated operational amplifier play an increasingly important role, its application has been extended to automotive electronics, communication electronics products, consumer electronic products and other areas, simple to understand the classification and integrated amp some general application.

Key words：In

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

集成运算放大器实验报告

集成运算放大器是一种高性能多级直接耦合具有两个输入端、一个输出端的电压放大电路。具有高增益、高输入阻抗低输出阻抗的特点。通常，线性应用电路需要引入负反馈网络，构成各种不同功能的实际应用电路。

(a)μA741高增益运算放大器 （b） LM324四运算放大器

图2.4.2 典型的集成运放外引脚排列

1. 比例、加减、微分、积分运算电路设计与实验

1.1原理图

(a) 反相比例运算电路 (b) 同相比例运算电路

图1.1 典型的比例运算电路

(a) 反相求和运算电路 (b) 同相求和运算电路

图1.2 典型的求和运算电路

(a) 单运放减法运算电路 (b) 双运放减法运算电路

图1.3 典型的减法运算电路

图1.4 积分电路 图1.5 微分电路 图 1.6 实际微分电路（PID）

2.方波、三角波发生器 2.1原理图

图2.1 方波、三角波发生器

2.2理论分析(参照实验教材分析工作原理和周期、频率、幅度近似计算出以上结果) 2.2.1频率分析 2.2.2

集成运算放大器的应用实验报告

【摘要】：本题目关于放大器设计的基本目标：使用一片通用四运放芯片LM324组成预设的电路，电路包括三角波产生器、加法器、滤波器、比较器四个设计模块，每个模块均采用一个运放及一定数目的电容、电阻搭建，通过理论计算分析，最终实现规定的电路要求。

【关键字】：运算放大器LM324、三角波信号发生器、加法器、滤波器、比较器word版本.

一、设计任务

使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能：

使用低频信号源产生，的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。

（a）

（b）

图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号运算放大器。

要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。

二、设计方

合肥工业大学模拟电子技术课件 康华光 五版 高等教育出版社

2.1 集成电路运算放大器 2.2 理想运算放大器 2.3 基本线性运放电路 2.4 同相输入和反相输入放大电 路的其他应用

合肥工业大学模拟电子技术课件 康华光 五版 高等教育出版社

2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元

图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图

合肥工业大学模拟电子技术课件 康华光 五版 高等教育出版社

2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元

图2.1.2 运算放大器的代表符号 (a)国家标准规定的符号 (b)国内外常用符号 ) )

合肥工业大学模拟电子技术课件 康华光 五版 高等教育出版社

2. 运算放大器的电路模型通常： 通常： 开环电压增益 Avo的≥105 (很高) 很高) 输入电阻 ri ≥ 106 (很大) 很大) 输出电阻 ro ≤100 (很小) 很小)

图2.1.3 运算放大器的电路模型

vO=Avo(vP-vN)

( V-< vO <V+ )

注意输入输出的相位关系

合肥工业大学模拟电子技术课件 康华光 五版 高等教育出版社

2. 运算放大器的电路模型当Avo(vP-vN) ≥V+ 时

集成运算放大器的应用实验报告

【摘要】： 本题目关于放大器设计的基本目标：使用一片通用四运放芯片LM324组成预设的电路，电路包括三角波产生器、加法器、滤波器、比较器四个设计模块，每个模块均采用一个运放及一定数目的电容、电阻搭建，通过理论计算分析，最终实现规定的电路要求。

【关键字】：运算放大器LM324、三角波信号发生器、加法器、滤波器、比较器

一、设计任务

使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能： 使用低频信号源产生 ， 的正弦波信号， 加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。

（a）

（b）

图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。 电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它

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