4.4 集成运放的性能指标及其低频等效电路
性能指标等效电路
一、集成运放的主要性能指标
1、开环差模电压增益A od
集成运放无外加反馈时的差模放大倍数
3、差模输入电阻r id
2、共模抑制比K CMR oc
od CMR A A K =)
(N p o
od
u u u A -??=
Id
Id id I U r ??=
4、输入失调电压U Io
使输出电压为零时，在输入端加的补偿电压5、输入失调电压温漂d U Io / d T 6、输入失调电流I IO
7、输入失调电流温漂d I Io / d T 8、输入偏置电流I IB
2
1B B IO I I I -=212
1
B B IB
I I I +=
9、最大共模输入电压U Icm
集成运放所能承受的最大共模电压10、最大差模输入电压U Idm
集成运放反相与同相输入端之间
能承受的最大电压
11、-3dB带宽f H
A od下降3d
B 时的频率
12、单位增益带宽f C
13、转换速率SR
二、集成运放的低频等效电路
-
-+
+
O
u Id od u A 2
-++?
u u A oc -+
o
r id
u -
+
id
r 2
IO I 2
IO I IB I IB
I io u -
+
+
u -u 输入端等效电路
输入端等效电路
R id
I
u -
+O
u I
od u A o
r -
+
简化的集成运放低频等效电路
电子科技大学 电子技术实验报告 学生姓名：班级学号：201203******* 考核成绩： 实验地点：科研楼C427 指导老师：试验时间：2013.12.5 实验名称：两级放大电路的设计、测试与调试
一． 实验目的 1． 进一步掌握放大电路各种性能指标的测试方法。 2． 掌握两级放大电路的设计原理、各性能指标的测试原理。 二． 实验预习思考 1·放大器性能指标的定义及测试方法； 2多级放大器性能指标特点。 三． 实验原理 由一只晶体管组成的基本组态放大器往往达不到所要求的放大倍数，或者其他指标达不到要求。这时，可以将基本组态放大器作为一级单元电路，将其一级一级地连接起来构成多级放大器，以实现所需的技术指标。 信号传输方式成为耦合方式。耦合方式主要有电容耦合、变压器耦合和直接耦合。 1. 多级放大器指标的计算 一个三级放大器的通用模型如下图所示： 由模型图可以得到多级放大器的计算特点： 1i i R R =，多级放大器的输入电阻等于第一级放大器的输入电阻； 末o o R R =，多级放大器的输出电阻等于末级放大器的输出电阻； 前后L i R R =，后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载； 后前s o R R =，后前s oo v v =，前级放大器的输出电路是后级放大器的信号源； 321··v v v V A A A A =，总的电压增益等于各级电压增益相乘。
2. 实验电路 实验电路如下图所示，可得该实验电路是一个电容耦合的两级放大器。 3. 测试方法 静态工作点的测试： 测出射级电阻两端的直流电压，以及射级电流； 电压增益的测试： 测出输入电压与输出电压，由公式i v v v A /0=计算得到； 输入电阻的测量： 已知取样电阻R ，测出电压' s u 与 i u ，利用公式 R u u u R u u u R i s i i s i i -=-= ''，即可求得； 输出电阻的测量： 已知取样电阻L R ,采用“两次电压法”测量，由公式 L o o L o o o R u u I u u R )1'('-=-= ，即可 求得； 幅频特性测量： 采用点频法，改变输入信号的频率，测量相应的输出电压值，求放大倍数，即可绘制出幅频特性曲线。 四． 实验内容 1， 测试静态工作点
第7章 集成运放组成的运算电路 本章教学基本要求 本章介绍了集成运放的比例、加减、积分、微分、对数、指数和乘法等模拟运算电路及其应用电路以及集成运放在实际应用中的几个问题。表为本章的教学基本要求。 表 第7章教学内容与要求 学完本章后应能运用虚短和虚断概念分析各种运算电路，掌握比例、求和、积分电路的工作原理和输出与输入的函数关系，理解微分电路、对数运算电路、模拟乘法器的工作原理和输出与输入的函数关系，并能根据需要合理选择上述有关电路。 本章主要知识点 1. 集成运放线性应用和非线性应用的特点 由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析、计算应用电路时，用理想集成运放代替实际集成运放所带来的误差并不严重，在一般工程计算中是允许的。本章中凡未特别说明，均将集成运放视为理想集成运放。 集成运放的应用划分为两大类：线性应用和非线性应用。 (1) 线性应用及其特点 集成运放工作在线性区必须引入深度负反馈或是兼有正反馈而以负反馈为主，此时其输出量与净输入量成线性关系，但是整个应用电路的输出和输入也可能是非线性关系。 集成运放工作在线性区时，它的输出信号o U 和输入信号（同相输入端+U 和反相输入端-U 之差）满足式（7-1） )(od o -+-=U U A U (7-1) 在理想情况下，集成运放工作于线性区满足虚短和虚断。虚短：是指运放两个输入端之间的电压几乎等于零；虚断：是指运放两个输入端的电流几乎等于零。即 虚短：0≈-+-U U 或 +-≈U U 虚断：0≈=+-I I
(2) 非线性应用及其特点 非线性应用中集成运放工作在非线性区，电路为开环或正反馈状态，集成运放的输出量与净输入量成非线性关系)(od o +--≠U U A U 。输入端有很微小的变化量时，输出电压为正饱和电压或负饱和电压值（饱和电压接近正、负电源电压），+-=U U 为两种状态的转折点。即 当+->U U 时，OL o U U = 当+-集成运放的性能指标
集成运放的性能指标 学习要求： ●掌握开环差模电压放大倍数、共模抑制比、差模输入电阻、 输入失调电压和输入失调电流等参数的物理意义； ●了解输入失调电压温漂、输入失调电流温漂dI IO/dT、输入偏 置电流、最大差模输入电压、最大共模输入电压、–3dB带 宽、单位增益带宽和转换速度等参数的物理意义。 1.开环差模电压放大倍数Aod 开环差模电压放大倍数A od是指集成运放在开环情况下的空载电压放大倍数。A od ，其值越大越好。通用型运放一般在范围。 2．共模抑制比K CMR 共模抑制比K CMR是集成运放的开环差模电压放大倍数和开环共模电压放大倍数之比 的绝对值，即。它是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。其值越大越好，通用型运放在65－110dB之间。 3．差模输入电阻 差模输入电阻是差模信号输入时，运放的开环输入电阻。愈大，从信号源索取的电流愈小。 4.输入失调电压U I0及其温漂dU IO/dT 由于集成运放的输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入 并不为零。U I0是使输出电压为零时在 电压为零时，输出电压 输入端所加的补偿电压，其数值是 电压的负值，即U I0=。U I0愈小，表明电路参数对称性愈好。 dU IO/dT是U I0的温度系数，其值愈小，表明运放的温漂愈小。 5. 输入失调电流I I0及其温漂dI IO/dT I I0＝|I B1－I B2|，I I0的大小反映了输入级差放管输入电流的不对称程度。其值愈小愈好。 dI IO/dT是I I0的温度系数，其值愈小，表明运放的质量愈好。 6. 输入偏置电流I IB 输入偏置电流I IB是输入电压为零时，集成运放两输入端静态基极（栅极）电流的平均值，即I IB＝(I B1+I B2)／2。I IB愈小，信号源内阻对集成运放静态工作点的影响也就愈小，I I0往往也愈小。
运算放大器的电路仿真设计 一、电路课程设计目的 错误!深入理解运算放大器电路模型,了解典型运算放大器的功能,并仿真实现它的功能; 错误!掌握理想运算放大器的特点及分析方法(主要运用节点电压法分析）； ○3熟悉掌握Muｌtisiｍ软件。 二、实验原理说明 （1）运算放大器是一种体积很小的集成电路元件,它包括输入端和输出端。它的类型包括:反向比例放大器、加法器、积分器、微分器、电 压跟随器、电源变换器等. （2） (３)理想运放的特点:根据理想运放的特点,可以得到两条原则： (a）“虚断”:由于理想运放,故输入端口的电流约为零，可近似视为断路,称为“虚断”。 （b)“虚短”:由于理想运放Ａ,，即两输入端间电压约为零,可近似视为短路,称为“虚短”. 已知下图，求输出电压。
理论分析: 由题意可得:(列节点方程) 011(1)822A U U +-= 0111 ()0422 B U U +-= A B U U = 解得: 三、 电路设计内容与步骤 如上图所示设计仿真电路. 仿真电路图：
V18mV R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 0.016 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 0.011 V + - 根据电压表的读数,， 与理论结果相同． 但在试验中，要注意把电压调成毫伏级别，否则结果误差会很大, 致结果没有任何意义。如图所示,电压单位为伏时的仿真结 果:V18 V R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 6.458 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 4.305 V + - ，与理论结果相差甚远。 四、 实验注意事项 1)注意仿真中的运算放大器一般是上正下负,而我们常见的运放是上负下正,在仿真过程中要注意。
第六章集成运放组成的运算电路 运算电路 例6-1例6-2例6-3例6-4例6-5例6-6例6-7例6-8例6-9 例6-10例6-11 乘法器电路 例6-12例6-13例6-14 非理想运放电路分析 例6-15 【例6-1】试用你所学过的基本电路将一个正弦波电压转换成二倍频的三角波电压。要求用方框图说明转换思路，并在各方框内分别写出电路的名 称。 【相关知识】 波形变换，各种运算电路。 【解题思路】 利用集成运放所组成的各种基本电路可以实现多种波形变换；例如，利用积分运算电路可将方波变为三角波，利用微分运算电路可将三角波 变为方波，利用乘方运算电路可将正弦波实现二倍频，利用电压比较器可将正弦波变为方波。 【解题过程】 先通过乘方运算电路实现正弦波的二倍频，再经过零比较器变为方波，最后经积分运算电路变为三角波，方框图如图（a）所示。 【其它解题方法】 先通过零比较器将正弦波变为方波，再经积分运算电路变为三角波，最后经绝对值运算电路（精密整流电路）实现二倍频，方框图如图（b）所示。
实际上，还可以有其它方案，如比较器采用滞回比较器等。 【例6-2】电路如图(a)所示。设为A理想的运算放大器，稳压管DZ的稳定电压等于5V。 （1）若输入信号的波形如图(b)所示，试画出输出电压的波形。 （2）试说明本电路中稳压管的作用。 图(a) 图(b) 【相关知识】 反相输入比例器、稳压管、运放。 【解题思路】 （1）当稳压管截止时，电路为反相比例器。 （2）当稳压管导通后，输出电压被限制在稳压管的稳定电压。 【解题过程】 （1）当时，稳压管截止，电路的电压增益 故输出电压
集成运放的性能主要参数及国标测试方法 集成运放的性能可用一些参数来表示。 集成运放的主要参数： 1．开环特性参数 （1）开环电压放大倍数Ao。在没有外接反馈电路、输出端开路、在输入端加一个低频小信号电压时，所测出输出电压复振幅与差动输入电压复振幅之比值，称为开环电压 放大倍数。Ao越高越稳定，所构成运算放大电路的运算精度也越高。 （2）差分输入电阻Ri。差分输入电阻Ri是运算放大器的主要技术指标之一。它是指：开环运算放大器在室温下，加在它两个输入端之间的差模输入电压变化量△V i与由它所引起的差模输入电流变化量△I i之比。一般为10k~3M，高的可达1000M以上。 在大多数情况下，总希望集成运放的开环输入电阻大一些好。 （3）输出电阻Ro。在没有外加反馈的情况下，集成运放在室温下其输出电压变化与输出电流变化之比。它实际上就是开环状态下集成运放输出级的输出电阻，其大小反映 了放大器带负载的能力，Ro通常越小越好，典型值一般在几十到几百欧。 （4）共模输入电阻Ric。开环状态下，两差分输入端分别对地端呈现的等效电阻，称为共模输入电阻。 （5）开环频率特性。开环频率特性是指：在开环状态下，输出电压下降3dB所对应的通频带宽，也称为开环-3dB带宽。 2.输入失调特性 由于运算放大器输入回路的不对称性，将产生一定的输入误差信号，从而限制里运算放大器的信号灵敏度。通常用以下参数表示。 （1）输入失调电压Vos。在室温及标称电源电压下，当输入电压为零时，集成运放的输出电位Vo0折合到输入端的数值，即： Vos=Vo0/Ao 失调电压的大小反映了差动输入级元件的失配程度。当集成运放的输入端外接电阻比较小时。失调电压及其漂移是引起运算误差的主要原因之一。Vos一般在mV级，显然它越小越好。 （2）输入失调电流Ios。在常温下，当输入信号为零时，放大器两个输入端的基极偏置电流之差称为输入失调电流。即： Ios=Ib- — Ib+ 式中Ib-、Ib+为放大器内两个输入端晶体管的基极电流。Ios一般在零点几微安到零点零几微安数量级，其值越小越好。失调电流的大小反映了差动输入级两个晶体管B值的失配程度，当集成运放的输入端外接电阻比较大时，失调电流及其漂移将是运算误差的主要原因。（3）输入失调电流温漂dIos。温度波动对运算放大器的参数是有影响的。如温度变化时，不仅能使集成运放两输入晶体管的基极偏置电流Ib-、Ib+发生变化，而且两者的变化率也不相同。也就是输入失调电流Ios将随温度而变化，不能保持为常数。一般 常用的集成运放的dIos指标如下： ●通用I型低增益运放。在+25℃~+85℃范围约为5~20nA/℃，-40℃~+25℃范围约为 20~50nA/℃。 ●通用Ⅱ型中增益运放。dIos约为5~20nA/℃。 ●低漂移运放。dIos约为100PA/℃ （4）输入失调电压温漂dVos。在规定的工作温度范围内，Vos随温度的平均变化率，即：dVos=△Vos/△T一般为1~50uV/℃，高质量的低于0.5uV。由于该指标不像Vos可
CMOS运放性能参数仿真规范 (保密文件，内部使用) 芯海科技有限公司 版权所有侵权必究
目 录 22 4其它..................................................................223.3.4其它性能的仿真测试.. (22) 3.3.3最坏情况仿真测试 (21) 3.3.2极限参数仿真测试 (21) 3.3.1工艺容差及温度特性的测试 (21) 3.3运放其它特性参数仿真规范 (21) 3.2.3瞬态参数仿真 (21) 3.2.2交流参数仿真 (20) 3.2.1直流参数仿真 (20) 3.2跨导运放(OTA)性能参数仿真规范 (19) 3.1.4瞬态参数仿真 (18) 3.1.3交流参数仿真 (17) 3.1.2共模输入范围的仿真 (16) 3.1.1直流参数仿真 (16) 3.1全差分运放性能参数仿真规范 (13) 3.2.3瞬态参数仿真 (8) 3.2.2交流参数仿真 (5) 3.2.1直流参数仿真 (5) 3.2双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范 (5) 3.1MOS 运算放大器技术指标总表 (5) 3CMOS 运放仿真规范.......................................................42概述...................................................................41前言...................................................................4MOS 运放性能参数仿真规范..................................................表目录 5 表1 MOS 运算放大器技术指标总表.............................................图目录 10图10 共模抑制比仿真电路...................................................10图9 闭环频响曲线.........................................................9图8 幅频、相频曲线图......................................................9图7 开环增益仿真电路......................................................8图6 输出摆幅与负载电阻的关系曲线............................................8图5 输出动态范围的仿真电路.................................................7图4 共模输入范围输出结果参考图..............................................7图3 共模电压输入范围的仿真电路..............................................6图2 Vos 温度特性参考图.....................................................6图1 输入失调电压仿真电路...................................................
CMOS模拟集成电路 实验报告
实验课7 全差分运放的仿真方法 目标： 1、了解全差分运放的各项指标 2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行仿真，给出各指标的 仿真结果。 本次实验课使用的全差分运放 首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。其相对于单端输出的放大器具有一些优势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所以在供电电压很小的情况下，单端输出很难理想工作，为了电路有很大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大器和共模反馈环路组成。 1、开环增益的仿真 得到的仿真图为
1.开环增益：首先开环增益计算方法是低频工作时(<200Hz) ，运放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为73.3db。 2.增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW，所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带宽积为1.03GB。 3.相位裕度：其计算方法为增益为0的时候对应的VP的纵坐标，如图即为-118，则其相位裕度为-118+180=62，而为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB 时，相位的移动应小于180 度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要求。 在做以上仿真的时候，关键步骤 在于设定VCMFB，为了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4为到5位才能得到大增益。 2.CMRR 的仿真 分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。因此需要仿真共模增益和差分增益。可以利用两个放大器，一 个连成共模放大，一个连成差模放大，
集成运算放大器参数的测试 电信S09-2-18 李明一．实验目的 1．了解集成运算放大器的主要参数。 2．通过实验，掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。 二．预习要求 1．复习集成运算放大器的技术指标，主要参数的定义及测试方法。 2．了解用示波器观察运算放大器传输特性的方法。 3．了解输入失调电压U IO和输入失调电流I IO产生的原因。 三．实验设备 四．实验内容及测试方法 反映集成运算放大器特性的参数主要有以下四大类：输入失调特性、开环特性、共模特性及输出瞬态特性。 1．集成运算放大器的传输特性及输出电压的动态范围的测试 运算放大器输出电压的动态范围是指在不失真条件下所能达到的最大幅度。为了测试方便，在一般情况下就用其输出电压的最大摆幅U op-p 当作运算放大器的最大动态范围。 输出电压动态范围的测试电路如图1(a）所示。图中u i为100Hz正弦信号。当接入负载R L后，逐渐加大输入信号u i的幅值，直至示波器上显示的输出电压波形为最大不失真波形为止，此时的输出电压的峰峰值U op-p就是运算放大器的最大摆幅。若将u i输入到示波器的X轴，u o输入到示波器的Y轴，就可以利用示波器的X—Y显示，观察到运算放大器的传输特性，如图1 (b) 所示，并可测出U o p-p的大小。
（a ） 运算放大器输出电压动态范围的测试电路 （b ） 运算放大器的传输特性曲线 图1（图中：R 1 = R 2 = 1.2k Ω，R f = 20k Ω） U op-p 与负载电阻R L 有关，对于不同的R L ，U op-p 也不同。根据表1，改变负载电阻R L 的阻值，记下 不同R L 时的U op-p ，并根据R L 和U op-p ，求出运算放大器输出电流的最大摆幅I op-p = U op-p /R L ， 运算放大器的U op-p 除了与负载电阻R L 有关外，还与电源电压以及输入信号的频率有关。随着电源电压的 降低和信号频率的升高，U op-p 将降低。 如果示波器显示出运算放大器的传输特性，即表明该放大器是好的，可以进一步测试运算放大器的其 它几项参数。 2． 集成运算放大器的输入失调特性及其测试方法 集成运算放大器的基本电路是差分放大器。由于电路的不对称性必将产生输入误差信号。这个误差信 号限制了运算放大器所能放大的最小信号，即限制了运算放大器的灵敏度。这种由于直流偏置不对称所引 起的误差信号可以用输入失调电压U IO 、输入偏置电流I B 、输入失调电流I IO 及它们的温度漂移来描述。 （1）输入失调电压U IO 的测试 一个理想的运算放大器，当两输入端加上相同的直流电压或直接接地时，其输出端的直流电压应等于 零。但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这种现象称为运算放大器的零点偏离或失调，为了 使放大器的输出端电压回到零，必须在放大器的输入端加上一个电压来补偿这种失调。所加电压的大小称 为该运算放大器的失调电压，用U IO 表示。显然U IO 越小，说明运算放大器参数的对称性越好。分析表明， 运算放大器的U IO 主要取决于输入级差分对管U be 的对称性，U 一般 R R f 为0.5 ~ 5mV 。 失调电压的测试电路如图2所示。用 万用表（最好是数字万用表）测出其输出 R 电压U o ，则输入失调电压U IO 可由下式计 算： o f IO U R R R U ?+=11 （1） 图2 输入失调电压测试电路 （2）输入失调电流的测试 (图中：R 1=100Ω，R f = 100k Ω ) 输入端偏置电流I B 是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的平均值，即： I B =（I B++I B -）∕2 式中I B+ 为同相输入端基极电流，I B - 为反相输入端基极电流。当电路参数对称时，I B+ = I B - 。但实际 电路中参数总有些不对称，其差值称为运算放大器的输入失调电流，用I IO 表示： I IO = I B+ - I B - 显然，I IO 的存在将使输出端零点偏离，信号源阻抗越高，失调电流的影响越严重。输入失调电流主要
运算放大器参数的基本仿真方法示例（2nd edition） 刘泰源，LTC1733 GROUP ROOM 237，SOC DESIGN CENTRE 目的：仿真一个两级的运放，熟悉模拟电路仿真软件的使用。 采用软件：workview ,hspice 2005.03 工艺库的说明：采用韩国MagnaChip 0.5umCMOS工艺库 对所采用电路描述：首先在workview中生成一个两级的运算放大器，并导出网表，第一级是差分的输入放大器，其作用是放大差模信号，抑制共模信号，第二级是一个共源放大器，提供更大的增益。在第一级里，m1、m2为差动输入管，m5提供由基准电压产生的偏置电流，m3、m4两管是一对电流镜，保证m3,m4两管为两个输入端提供相等的电流。第二级m8是负载管，m7是倒相器的输入管。 主要仿真的运算放大器特性： 增益，增益带宽，建立时间，摆率，ICMR，CMRR，PSRR，输出摆幅，失调电压 运放电路结构图： 图1运放电路
静态工作点的调节在整个模拟电路的设计中是非常重要的，因为不同功能的模块对器件的工作状态有不同的要求，在电路设计初期确定下的管子的工作状态就在这个阶段与以实现。实现的语句在hspice里面是.op语句。这个语句会在仿真生成的.lis文件里面形成一个关于管子工作状态的理解，查找.lis文件中的region关键字，就能找到各个管子工作点的列表。 静态工作点的调节： 采用的方法，先设计第一级的的工作点，再设计第二级的工作点。 第一级工作点设计要求五个管子都工作在饱和区，并且保证电路的对称，在vcc，in1,in2和bias上要加上适当的偏置电压。我设定的bias为 1.5v，in1=in2=2.5v，这个时候要注意调节各管子的宽长比使管子达到饱和，如果m3,m4是线形区，则应该调节减小m3,m4的宽长比，同时通过增加m5的宽长比增大偏置电流，如果m5处于线形区，则应该采取与上面所说的相反的方法，如果输入管处于线形区，要考虑输入的偏置电压是否合适，同时折中上面的调节方法。 在调整第一级进入管子都饱和后，加上第二级一起调整，目的是使两级的管子都进入饱和区，这里遇到的一个问题，就是第二级的两个管子很难同时到达饱和区，发现问题在于m3,m4管的vds太小，使第二级的m7管只能在线形区，减小m3,m4的宽长比和调节m5的偏置电流后，可以使两管都饱和。 在整个过程中，都需要保持偏置管和电流镜对管的对称性。 NOTE：（上述调节过程仅是一个参考，实际电路中BIAS电流不可能这么精确，所以，在实际情况中，调试电路的中的偏置电压更多的由实际偏置电路提供。） 1．开环增益： 1）输入差模信号，调节使各晶体管的工作点都处在饱和区，在输入端in1加入交流信号，in2加上偏置信号。 2）输入激励： vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.2 vin1 in1 0 2.5 vin2 in2 0 2.5 ac 1
实验报告姓名：学号： 日期：成绩： 一、实验目的 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。 =∞ 开环电压增益A ud =∞ 输入阻抗r i 输出阻抗r =0 o =∞ 带宽 f BW
失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压U O 与输入电压之间满足关系式 U O ＝A ud （U +－U －） 由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 （2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图6－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图6－1 反相比例运算电路 图6－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图6－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 // R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图6－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O )U R R (1U + = R 2＝R 1 // R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图6－3(b)所示的电压跟随器。图中R 2＝R F ， i 1 F O U R R U - =
集成运放的主要技术参数 评价集成运放好坏的参数很多，它们是描述一个实际运放与理想放大器件接近程度的数据，这里仅介绍其中主要的几种。 一、输入参数 1．输入失调电压U O及其温漂 在室温及标准电源电压下，为了使静态U O = 0，而在输入端需要加的补偿电压值称为U OS，它反映电路中的对称程度和电位配置情况。典型值为2mV 。 是在指定温度范围内UOS随温度变化的平均变化率。是运放电压漂移特性的量度。单位μV／℃，一般为0.3～30μV／℃。2．输入偏置电流I B I B是在室温及标准电源电压下，以理想恒流源驱动两输入端，使U O＝0时的两个输入端电流的平均值，即 I B＝（I B1＋I B2 ）／2。通常，I B为0.1～10μA 。 3．输入失调电流I OS及其温漂 I OS是指在U O = 0时，两输入端静态电流之差，即I OS＝I B1 - I B2，一般为0.5～5μA。 是在指定温度变化范围内，I OS随温度的变化率。其值为3pA／℃～50nA／℃。 二、差模特性参数 1．开环差模电压放大倍数A od及其频率特性。 A od是指在标准电源及规定负载凡下的开环差模电压放大倍数。|A d（jω）| 下降到直流差模电压放大倍数A od的时所对应的频率为f H。 2．最大差模输入电压U idm U idm是指两个输入端之间所能承受的最大电压差值。超过该值，输入级某一侧将出现PN结反向击穿现象。 3．差模输入电阻r id r id是在室温下，开环运放两输入端之间的差模输入信号的动态电阻。双极型管输入级r id在几十kΩ～几MΩ；场效应管差动输入级r id可达108Ω以上。 三、共模特性参数 1．最大共模输入电压U icm U icm是共模输入电压范围。是在标准电压下，两输入端相同电位时的最大输入电压值。一旦超过U icm，则CMRR将明显下降。2．共模输入电阻r ic r ic是指室温下，每个输入端到地的共模动态电阻。 3．共模抑制比CMRR C MRR定义为运放开环差模电压放大倍数与其共模电压放大倍数之比，即 或
模拟电子技术科技小论文 简析集成运算放大器的发展及典型精典 应用电路 姓名： 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 班级：2016级5班 指导老师：
一、集成运算放大器的发展历史及现状 1934年的某天，哈里·布莱克（Harry·Black）搭渡从他家所在的纽约到贝尔实验室所在的新泽西去上班。渡船舒缓了他那紧张的神经，使得他可以做一些概念性的思考。哈里有个难题要解决：当电话线延伸得很长时，信号需要放大。但放大器是如此的不可靠，使得服务质量受到严重制约。首先，初始增益误差很大，但这个问题很快就通过使用一个调节器解决了。第二，即使放大器在出厂时调节好了，但是在现场应用的时候，增益的大范围漂移使得音量太低或者输入的语音失真。 为了制造一个稳定的放大器，很多的方法都尝试过了，但是变化的温度和极差的电话线供电状况所导致的增益漂移，一直难以克服。被动元件比主动元件有更好的漂移特性，如果放大器的增益取决于被动元件的话，问题不就解决了吗？在这次搭渡途中，哈里构思了这样一个新奇的解决方法，并记录了下来。 这个方法首先需要制造一个增益比实际应用所需增益要大的放大器，然后将部分的输出信号反馈到输入端，使得电路（包括放大器和反馈元件）增益取决于反馈回路而不是放大器本身。这样，电路增益也就取决于被动的反馈元件而不是主动的放大器，这叫做负反馈，是现代运算放大器的工作原理。哈里在渡船上记录了史上第一个有意设计的反馈电路，但是我们可以肯定在这之前，有人曾无意构建过反馈电路，只不过忽视了它的效果而已。起初，管理层和放大器设计者有很大的抱怨：“设计一个30-KHz增益带宽积（GBW）的放大器已经够难的了，现在这个傻瓜想要我们设计成3-MHz的增益带宽积，但他却只是用来搭建一个30-KHz增益带宽积的电路！”然而，时间证明哈里是对的。但是哈里没有深入探讨这带来的一个次要问题——振荡。当使用大开环增益的放大器来构建闭环电路时，有时会振荡。直至40年代人们才弄懂了个中原因，但是要解决这个问题需要经过冗长繁琐的计算，多年过去了也没有人能想出简单易懂的方法来。 1945年，H.W.Bode提出了图形化方式分析反馈系统稳定性的方法。此前反馈的分析是通过乘除法来完成的，传函的计算十分费时费力，需要知道的是，直至70年代前工程师是没有计算器和计算机的。波特使用了对数的方法将复杂的数学计算转变成简单直观的图形分析，虽然设计反馈系统仍然很复杂，但不再是只被“暗室”里的少数电子工程师所掌握的“艺术”了。任何电子工程师都可以使用波特图去寻找反馈电路的稳定性，反馈的应用也得以迅速增长。 世界上第一台计算机是模拟计算机！它使用预先编排的方程和输入数据来计算输出，因为这种“编程”是硬件连线的——搭建一系列的电路，这种局限性最
运算放大器的测量和仿真 1.概述 仿真是运放设计的一项重要内容，运放的仿真与运放的应用环境是不可分割的，在仿真之前一定要首先确定运放的实际负载，包括电阻、电容负载，还应包括电流源负载，只有负载确定之后，仿真出的结果才是有意义的：不同的应用场合对运放的性能指标要求也不一样，并不需要在任何时候都要将运放的所有指标都进行仿真，所以，在仿真之前要明确应该要仿真运放的哪几项指标，哪几项指标是可以不仿真的。在仿真时，要对不同的指标分别建立仿真电路，这样有利于电路的检查；DC、AC分析是获得电路某一性能指标信息的一种手段，它需要一些相关的条件来支持，当我们忽略了某一条件或根本没有弄清还有哪些条件时，DC、AC分析的结果就可能与实际情况不一致，导致错误的发生。瞬态仿真则是反映出电路工作的现象，只有瞬态仿真通过，才能说明电路具备 了相应的能力。如：我们在仿真运放的频率特性时，所设计的仿真电路是建立在输入源的输出电阻为零（或很小，几百ohm以下）的基础之上，此时仿真出的运放稳定性很好，但如果实际电路前级的输出电阻不为零（此时应考虑运放输入级的寄生电容），这时，在做实际电路的瞬态仿真时，会发现输出有较大的过冲，瞬态仿真必不可少！而且，每一个AC、DC分析结果都可以用瞬态仿真加以验证。 以下仿真电路，只画出了电阻、电容负载，没有给出电流源负载，在进行电路的仿真时，要根据实际情况，酌情考虑电流源负载的影响（实际上电路动态工作时，一定有输出电流）。一般情况下，电阻、电容负载是相对于共模电压的（不是GND），不会引入静态电流，但在某些场合，如输出驱动电路，其电阻负载是对地的，此时会引入静态电流，这些东西在实际仿真时都是要考虑的。 运算放大器的测量和仿真类别包括：开环增益、开环频率响应（包括相位裕度）、输入失调电压、共模增益、电源抑制比、共模输入输出范围、开环输出电阻和瞬态响应（包括摆率）。 AC相当于小信号仿真，步骤是先进行直流工作点仿真再进行小信号仿真，对于直流电源相当于短路 DC可以仿真工作点，范围等 相当于现实物理模型的仿真，接近真实情况
实验报告课程名称：电路与电子技术实验指导老师： 成绩： 实验名称：集成运放组成的基本运算电路实验实验类型：同组学生：一、实验目的和要求（必填）二、实验容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.研究集成运放组成的比例、加法和积分等基本运算电路的功能； 2.掌握集成运算放大电路的三种输入方式。 3.了解集成运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题； 4.理解在放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大电路各项性能指标的影响； 5.学会用集成运算放大器实现波形变换 二、实验容和原理 1.实现两个信号的反相加法运算 2.输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值 3.实现单一信号同相比例运算(选做) 4.输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值，测量闭环传输特性：Vo = f (Vs) 5.实现两个信号的减法(差分)运算 6.输入正弦波，示波器观察输入和输出波形，毫伏表测量有效值 7.实现积分运算(选做) 8.设置输出初态电压等于零；输入接固定直流电压，断开K2，进入积分；用示波器观察输出变化(如何设轴,Y轴和触发方式) 9.波形转换—方波转换成三角波 10.设：Tp为方波半个周期时间；τ=R2C 11.在T p<<τ、T p ≈τ、T p>>τ三种情况下加入方波信号，用示波器观察输出和输入波形，记录线性 三、主要仪器设备 1.集成运算电路实验板；通用运算放大器μA741、电阻电容等元器件； 2.MS8200G型数字多用表；XJ4318型双踪示波器；XJ1631数字函数信号发生器；DF2172B型交流电压表； 型可调式直流稳压稳流电源。
几种常用集成运算放大器的性能参数 1．通用型运算放大器 A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。μ通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 2．高阻型运算放大器 ，IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。Ω这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid＞（109~1012） 3．低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4．高速型运算放大器 s，BWG＞20MHz。μA715等，其SR=50~70V/μ在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、 5．低功耗型运算放大器 W，可采用单节电池供电。μA。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10μ由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250 6．高压大功率型运算放大器 A791集成运放的输出电流可达1A。μ运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V， 集成运放的分类 1. 通用型 这类集成运放具有价格低和应用范围广泛等特点。从客观上判断通用型集成运放，目前还没有明确的统一标准，习惯上认为，在不要求具有特殊的特性参数的情况下所采用的集成运放为通用型。由于集成运放特性参数的指标在不断提高，现在的和过去的通用型集成运放的特性参数的标准并不相同。相对而言，在特性
运算放大器的指标测试 一、实验目的 1．加深对集成运算放大器特性和参数的理解。 2．学习集成运算放大器主要性能指标的测试方法。 二、实验内容 1．测量输入失调电压V IO 。 2．测量输入失调电流I IO 。 3．测量输入偏置电流I IB 。 4．测量开环差模电压增益A od 。 5．测量最大不失真输出电压幅度V o(max)。 6．测量共模抑制比K CMR 。 7．测量转换速率SR 。 三、实验准备 1．了解集成运放μA741的管脚排列。 2．查阅有关资料，找出集成运放μA741主要性能指标的典型数据。 3．理解V IO 、I Io 、A od 、K CMR 、V om 等指标的测试电路的工作原理，选定实验所需仪器，拟定实验步骤。 四、实验原理与说明 集成运算放大器是一种高增益的直接耦合放大电路，在理想情况下，集成运放的A od =∞、R i =∞、V IO =0、I IO =0、K CMR =∞。但是实际上并不存在理想的集成运算放大器。为了解实际运放与理想运放的差别，以便正确使用集成运放大器，有必要研究其实际特性，并对其主要指标进行测试。下面介绍的是运放主要指标的简易测试方法。 1．输入失调电压V IO 的测量 在常温下，当输入信号为零时，集成运放的输出电压不为零，该输出电压称为输出失调电压。为了使输出电压回到零，需要在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压V IO 。V IO 可能为正，也可能为负。高质量运放的V IO 一般在1mV 以下。V IO 的大小主要反映了运放内部差分输入级中两个三极管V BE 的失配程度。当运放的输入外接电阻（包括信号源内阻）比较小时，失调电压及其温漂往往是引起运放误差的主要原因。 输入失调电压的测试电路如图9.19所示。电路中R 1和R 3、R 2和R 4的参数应严格对称。测出输出电压V O1的大小（实测值可能为正，也可能为负），则输入失调电压为： O1211IO V R R R V += 图9.19 V IO 测试电路 2．输入失调电流I IO 的测量 在常温下，当输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端的输入电流之间的差值称为输入失调电流I IO ，设I BP 和I BN 分别是运放同相输入端和反相输入端的输入电流，则输入失调电流I IO =│I BP －I BN │。集成运放的I IO 一般在100nA （1nA=10-9A ）以下。输入失调电流的大小反映了运放内部差分输入级中两个三极管基极静态电流的失配程度。当集成运算放大器的输入端外接电阻比较大时，输入失调电流及其温漂是造成运放误差的主要原因。 输入失调电流的测试电路如图9.20所示，电路中R 1= R 3，R 2=R 4，而且两个输入端上的电阻R b 必须精确配对才能保证测量精度。图9.20与图9.19之间的区别是两个输入端上均引