运算放大器的输入电阻怎么算

渤海大学 本科毕业论文

题

目完成人姓名主修专业所在院(系) 入学年度完成日期指导教师

同相比例运算放大器输入电阻的分析

王雷 物理学教育 物理系 年 年5月21日 李弋

2003 2007 同相比例运算放大器输入电阻的分析

王雷 渤海大学物理系

摘要：同相比例运算放大器，引入了电压串联负反馈，当运放具有理想特性时，输入电阻应为无限大，但当运放特性不理想时，输入电阻为一个有限值。为了计算同相比例运算放大器的输入电阻，我首先研究了集成运放电路的内部结构，并以长尾式差分放大电路为例进行了分析。因为同相比例运算放大器引入了电压串联负反馈，所以我又研究了一些和反馈有关的知识。最后推导了同相比例运算放大器输入电阻的精确表达式，并指出有关文献中的输入电阻的几种表达形式均是精确式在不同条件下的近似值。

关键词：运算放大器；同相比例；输入电阻；差分

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

电路是电类专业的基础,学好该课程是理解电路分析电路的前提,希望电类专业(电子,电气,通信等专业)的学生给予特别重视,望学好该专业,拥有电类的明天

5-1

第5章 含有运算放大器的电阻电路 重点： 重点： 了解运算放大器的电路模型； 1. 了解运算放大器的电路模型； 熟练掌握理想运算放大器的运算规则； 2. 熟练掌握理想运算放大器的运算规则； 熟练运用含运算放大器的电路的分析方法。 3. 熟练运用含运算放大器的电路的分析方法。

电路是电类专业的基础,学好该课程是理解电路分析电路的前提,希望电类专业(电子,电气,通信等专业)的学生给予特别重视,望学好该专业,拥有电类的明天

5-2

5.1 运算放大器的电路模型

5.2 比例电路的分析

5.3 含有理想运算放大器的电路的分析

电路是电类专业的基础,学好该课程是理解电路分析电路的前提,希望电类专业(电子,电气,通信等专业)的学生给予特别重视,望学好该专业,拥有电类的明天

5. 1 运算放大器的电路模型运算放大器(operational 运算放大器 amplifier): :

5-3

运算放大器(简称运放) 运算放大器(简称运放)是一种包含许多晶体管的集成电 它是目前获得广泛应用的一种多端器件。 路，它是目前获得广泛应用的