集成运算放大器是什么放大器

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

运算放大器工作原理是什么?

运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用

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

广州大学学生实验报告

开课学院及实验室： 机电学院 电子实验楼402室 2013年 12 月 13 日

学院 机械与电气年级、专12级、电气自工程学院 业、班 动化、电气121 姓名 陈海兵 学号 1207300045 实验课程名称 模拟电子技术实验 成绩 实验项目名称 由集成运算放大器组成的波形放大器 指导老师 陈虹 一、实验目的 1、 学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器。 2、 学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。 二、实验原理 由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式，本实验选用最常用的，线路比较简单的几种电路加以分析。 1、 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器） 图11－1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 电路的振荡频率 :fO

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