运放带宽，增益带宽积和频率响应
任何电路的带宽都是最重要的。因此，运放带宽是运算放大器电路中一个特别重要的因素. 运放带宽、增益和增益带宽积都是紧密相关的。
由于任何运放都有限的带宽，在任何电路的设计开始时，都必须仔细考虑增益、带宽和频率响应。
运放带宽
虽然运算放大器有一个非常高的增益，这一级别的增益开始下降在一个低频。开环断点，即增益下降3dB的频率通常只有几赫兹。
长寿命和仍然非常流行的741运算放大器有一个6赫兹左右的开环断点。除此之外，响应以-6dB/倍频程或-20 dB/10的速率下降。注：八度是频率的两倍，十年是频率的十倍，因此这两个数字是表达相同特征的两种方式。
典型运算放大器开环增益带宽图
运放增益、带宽及补偿
OP放大器通常具有较低的断点的主要原因之一是，几乎所有OP AMP都包含了一个称为补偿的特性。
这种频率补偿用于确保运算放大器在所有工作条件下保持稳定。最早的运放容易发生不稳定，因此，几乎所有运放IC设计中都引入了补偿，这是理所当然的。
无补偿的典型运放开环增益带宽
补偿对运放带宽的影响是为了减小断点.这意味着，如果没有补偿，断点和带宽将更大，但代价是不稳定。
反馈对运放带宽的影响
在使用运算放大器设计实际电路时，采用负反馈来控制增益。应用这种反馈可以使非常高的增益交换带宽。
这样，就可以在所需的带宽范围内实现非常平坦的频率响应曲线。
闭环运算放大器增益和频率响应
运放增益带宽积
在设计运放电路时，一个称为运放增益带宽积的图形是很重要的。
OP放大器增益带宽积通常是为特定的运放类型、开环配置和加载的输出指定的：
GBP=Avxf GBP=Avxf
其中：
运放增益带宽积
AV=电压增益
F=截止频率(Hz)
对于电压反馈放大器，运算放大器增益带宽积为常数.但是，由于增益和带宽之间的关系不是线性的，所以它不适用于电流反馈放大器。
因此，将增益降低10倍将使带宽增加同样的因子。
对于一个输出为正弦波的信号，输出电压可表示为： Vout = Vp * sin(2*pi*f*t) 这个输出电压对时间求导可得： 上式的max是指在求导后的余弦信号在t=0时得到最大值。这个很好理解，也就是说原正弦信号在t=0时压摆率最大。 可以看出dV/dt表示的压摆率，跟信号的频序有关，还与信号的输出幅值有关。上式中，如果Vp是运放的输出满幅值。则上式可表示为 此时FPBW就是运放的满功率带宽了。记住它吧，它简值太重要了。例如如果想在100Khz以内得到正弦波的10Vo-p振幅,按照公式需要转换速率的是6.3v/us以上的OP。可以看出，满功率带宽由压摆率和输出信号的幅值决定的。也就是压摆率一定的情况下，输出信号的幅值越大，全功率带宽越小。这也解释了上面OPA333的测试结果。 这里还要说一个得要的公式，就是运放的上升时间与带宽的关系。如下式，面熟，这个公式在很多地方都见过。也太重要了，记住它吧。
今天我们深一点分析这个公式的由来。其实它是由一阶系统的响应计算而来的。对于一阶RC的频率响应为 一阶系统的阶跃响应为下式。 Vo=0.1Vm时t=0.1RC。(-ln0.9 =0.1)当Vo=0.9Vm时，t=2.3RC (-ln0.1=2.3)。则RC阶跃响应的时间为Tr=2.2RC. 而对于一个一阶RC的带宽又可以表示为：BW=1/（2*pi*RC）。上升时间里也有RC，这两个RC是同一个喽。这句是废话。那Tr=2.2/(2*pi* BW)=0.35/BW。 下面我们对这个结论用TINA进行一下仿真。运放为OPA2188，增益带宽积为2MHz。运放设置为增益为1的同向放大电路。输入信号为10mV的阶跃信号。输出信号的上升时间为220.8ns-82.5nS=138.3nS.
运放带宽相关知识！ 一、单位增益带宽GB 单位增益带宽定义为：运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 二、运放的带宽是表示运放能够处理交流信号的能力（转） 对于小信号，一般用单位增益带宽表示。单位增益带宽，也叫做增益/带宽积能够大致表示运放的处理信号频率的能力。例如某个运放的增益带宽=1MHz，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率=1MHz/100=10KHz。 对于大信号的带宽，既功率带宽，需要根据转换速度来计算。 对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。 1、运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。 2、比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。 3、当输出信号幅度很小在0.1Vp-p以下时，主要考虑增益带宽积的影响。 就是Gain Bandwidth=放大倍数*信号频率。 当输出信号幅度很大时，主要考虑转换速率Sr的影响，单位是V/uS。
放大器中关于带宽和增益带宽等的主要指标 2008-09-17 14:13 开环带宽：开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。 单位增益带宽GB：单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 转换速率（也称为压摆率）SR：运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率 SR达到6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。 全功率带宽BW：全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。 建立时间：建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。 等效输入噪声电压：等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。 差模输入阻抗（也称为输入阻抗）：差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效应管
运算放大器分类： 一：性能指标分类 1．通用型运算放大器 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μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）以及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。 2．高阻型运算放大器 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＞1GΩ~1TΩ,IB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LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。 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OP07、OP27、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 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、μA715等,其SR=50~70V/ms,BWG＞20MHz。5．低功耗型运算放大器 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50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。 6．高压大功率型运算放大器 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,μA791集成运放的输出电流可达1A。 7. 低输入偏流型 当运放的输入偏流为零时，便是理想的运放。其输入偏流IB ，是用运放的两个输入端电流平均值来定义的，因此该值越小，性能越高。当环境温度T＝25℃时，不同结构不同类型的低输入偏流型运放，其偏流值应在以下规定范围内：双极型运放：25nA～lμA 场效应管输入型运放：1μμA～50μμA MOS输入型运放：0.1μμA CMOS输入型运放：0.1μμA 采用低偏流放大器的电路有：小电流测定电路、需要高阻抗的电路、积分器、电流／电压转换器、高阻抗转换器等
可变增益宽带放大器设计 1、应用背景 随着社会发展，随着计算机和互联网的迅速普及，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势，各类型放大器的运用领域不断扩展。在当今科技和通讯高速发展下，各种自动化、智能化仪器装置对信号的要求越来越高，尤其在一些高精度的领域，对小信号的放大与处理要求更为严格。普通的运放存在着本身不可忽略的缺点，用普通的运放设计的放大器一般具有频带窄、噪声系数大、低增益的特点。宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大，广泛应用于军事、光纤通信、电子战设备及微波仪表和医用设备等高科技领域上，具有很好的发展前景。研究和设计一款高增益、高精度、低噪声、增益可控性高的宽带放大器成为了人们的广泛关注。[1]要同时满足这些性能指标，对电路设计提出了很高的要求，尤其是高频PCB 和电磁兼容的设计要求。 2、设计目的 要求所设计的高频小信号放大器输入/输出电压处于动态可变范围的前提下，同时兼顾增益与带宽的要求，使其具有较宽的频带，同时具备低噪声、工作稳定的特点。 3、系统设计 根据设计要求，可将系统分为以下几部分模块：前置放大电路、中间级增益可调放大电路、后级功率放大电路。为降低噪音，在多级放大电路中，应注意第一级放大电路的降噪设计，可通过选用低噪声芯片设计固定增益放大电路，并注意设计反馈电路。中间级增益可调放大电路可选择可编程增益芯片，通过调整接入电阻调整增益。[2] 图表一 系统设计框图 4、方案选择 4.1芯片类型选择 4.1.1AD603 AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI 公司的专利产品，是一个低噪、90MHz 带宽增益可调的集成运放，它提供精确的引脚可选增益，90 MHz 带宽时增益范围为-11 dB 至+31 dB ，9 MHz 带宽时增益范围为+9 dB 至+51 dB 。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz ，采用推荐的±5 V 电源时功耗为125mW 。两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28dB ，因此符合增益可调，带宽较宽、低噪声的设计要求。 图 1AD609引脚图 4.1.2AD811 AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3 dB 带宽为120 MHz (G=+2)，带宽达到35 MHz (0.1dB,G = +2)。低失真特性(带宽最高可达10 MHz)和宽单位增益带宽，使AD811非常适合用作数据采集系统中的ADC 或DAC 缓冲器。该放大器还具有1.9 nV/√Hz 的低电输入信号 输出信号
运放参数解析定义大全 一、单位增益带宽GB 单位增益带宽定义为：运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 二、运放的带宽是表示运放能够处理交流信号的能力 对于小信号，一般用单位增益带宽表示。单位增益带宽，也叫做增益带宽积，能够大致表示运放的处理信号频率的能力。例如某个运放的增益带宽 =1MHz，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率 1MHz/100=10KHz。 对于大信号的带宽，即功率带宽，需要根据转换速度来计算。 对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。 1、运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。 2、比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。 3、当输出信号幅度很小在0.1Vp-p以下时，主要考虑增益带宽积的影响。 就是Gain Bandwidth=放大倍数*信号频率。 当输出信号幅度很大时，主要考虑转换速率Sr的影响，单位是V/uS。 在这种情况下要算功率带宽，FPBW=Sr/2πVp-p。 也就是在设计电路时要同时满足增益带宽和功率带宽。
在设计二级运放时，我发现对单位增益带宽这个概念不甚了解，从网上搜集一下相关的资料，整理如下： 单位增益带宽GB 单位增益带宽定义为：运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db （或是相当于运放输入信号的0.707） 所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当 知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 注：需要注意的是单位增益带宽的定义条件是在闭环增益为1条件下。我们知道对于反馈系数为β反馈系统，其3dB 增益为)1(00A A β+，考虑到一般10>>A ，可得β=1。而此时 3dB 带宽变为00)1(ωβA +，故有0000)1(ωωβA A =+。一般我们可以将00ωA 看做是单位增益带宽。而对于同一反馈系统而言，其3dB 增益与3dB 带宽的乘积也都为00ωA ，所以在运放中我们一般也将单位增益带宽，也叫做增益/带宽积。若已知某个运放的单位增益带宽=1MHz ，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率=1MHz/100=10KHz 。 运放的带宽是表示运放能够处理交流小信号的能力。运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真。不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量而对于大信号带宽，即功率带宽，需要根据转换速率来计算。而对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。
仿真增益带宽-通用运算放大器模型 信号信号链工程师 David Zhao (赵大伟) 运算放大器的增益带宽积(GBW)会怎样影响你的电路并不总是显而易见。宏模型有固定的增益带宽积。虽然你可以深入观察这些模型，当然最好不要瞎弄它们。那么你可以做什么？ 你可以使用SPICE中的通用放大器的模型来检测你的电路对增益带宽积的灵敏度。大多数基于SPICE的电路仿真器包含一个简单的运算放大器模型，因此你很容易就可以修改。TINA的仿真界面。 首先将DC开环增益设置为1M(120dB)。然后，主极点的频率(单位为Hz)与其相乘将得到放大器的增益带宽积(单位为MHz)。在这个例子中，10Hz的主极点对应10MHz的增益带宽积。对于5MHz，10MHz和100MHz三种不同的增益带宽积，图2分别给出了对应的开环响应。 注意这个简单的模型存在第二个极点(有些人称它为不受欢迎的极点)。有时候，你会想要第二个极点处在一个非常高的频率，比如说10GHz。对于任何合理的增益带宽积，这将会形成一个理想的90°的相位裕量。在这个范例中，我将第二个极点设定为100MHz，等于我仿真时最大的增益带宽积的值。在100MHz增益带宽积的响应中，你可以看到第二个极点的影响，它将会使得开环响应在100MHz的地方开始弯曲。它使得单位增益带宽大约为78MHz，和一个具有78MHz增益带宽积的运算放大器的情况很相似。运算放大器的单位增益带宽和增益带宽积并不一定是相同的值。 对于有源滤波器的设计，很难判断增益带宽积的需求，它是一个可以应用这种技术的很好的例子。图3中使用FilterPro来设计切比雪夫滤波器，它会给出一些增益带宽积值的推荐，然而它的设计准则可能会比一些情况更严格。对于这个设计而言，它推荐了100MHz或更大的增益带宽积来达到近乎理想的滤波器设计特性。，我设定三种增益带宽积(5MHz，10MHz，100MHz)来对设计进行仿真。从结果中可以得出小于100MHz的增益带宽积已经是符合要求的。对于最终的仿真，你应该使用你所选择的运算放大器的宏模型。 我使用了TINA中的参数步进功能，改变主极点从而改变增益带宽积。其它仿真器也有类似的功能。当然，也可以手动地修改参数。无论是哪种方式，改变通用运算放大器的增益带宽积将帮助你洞察增益带宽积对电路的影响。 你曾经使用运算放大器模型来修改其它参数吗？欢迎给出建议。
电 子 测 试 0 前言 在实际应用中，需要放大的信号往往在一定频率范围内变化，显然，带宽和增益是放大器的两个重要指标。低噪声、宽频带、高效率的放大器设计在工业中经常出现，并且要求的指标不断提高。本文介绍一款前级为可变增益放大器(VGA)AD603调节增益，后级为电流反馈型运放THS3091放大功率，并采用负反馈思想抑制零点漂移问题的设计方案，此方案还采取多种措施来抵抗干扰，降低噪声，获得很好的效果。 1 设计的主要技术指标 2.1 放大器电压增益Av≥40dB，在0～40dB范围内手动连续调节，或5dB步距调节； 2.2 在最大增益下，放大器可过直流，可（1MHz、2MHz、4MHz 三点）预置并显示，并尽量减小带内波动，衰减斜率≥-40db/十倍频； 2.3 在50Ω的负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。 2.4 放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，相对误差小于5%； 2 理论分析与方案选择 综合分析设计指标，主要难点共有三个方面：一是在较宽的带宽内实现较大的放大能力，且以两种方式调节增益;二是保证实现要求的功率输出；三是放大电路的零点漂移问题，因为带宽下限为0Hz，高精度放大器必须最大程度解决零点漂移。 2.1 带宽增益积 带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。本系统设计最大电压增益≥40dB（100倍），通频带最大达到4MHz，所以增益带宽积为：。 2.2 放大器稳定性 为了使放大器稳定，设计时不能接近自激振荡的条件：幅度平衡条件|AF|=1，相位平衡条件φA+φF=π和起振条件|AF|略大于1，留有裕量越大，放大器愈不易产生自激振荡，但设计也就愈困难。 对于电压反馈型运放AD603，人为引入电阻、电容，使它在原自激振荡频率处产生附加相移，不再满足自激条件。对于电流反馈型运放THS3091，采取注意走线布局、选用合适反馈电阻，使其不因阻值过大而产生大分布电容或降低带宽。 2.3 负反馈抑制零点漂移 零点漂移是放大器输入为零时，输出端的电压不为零，并且电压偏置随时间、温度、电源电压等一起变化的现象。由于AD603本身的零点漂移较大，最大为30mV，所以在AD603输出端引入自动零偏调理电路，即将AD603输入短路,不断采样AD603的输出直流偏置电压,送入单片机处理并通过D/A输出，在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压为零。功率放大电路中，则应尽量采用低温漂运放。 此增益带宽可调放大器主要确定以下五个模块： 2.3.1可变增益放大的选择 采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件，其温度稳定性高，增益(dB)与控制电压(V) 增益带宽可调放大器 杨 曌 （东南大学，211189） 摘要：本论文介绍一款高指标的增益带宽可调放大器的设计与制作。设计采用多重措施来降低噪声，提高效率，并且采用负反馈思想抑制零点漂移。实测表明，设计出的增益带宽可调放大器各项指标能很好地达到设计要求，具有一定的实用性，为工业生产和电子竞赛提供可靠参考。 关键词：增益带宽可调放大器负反馈精度 Adjustable amplifier gain bandwidth Yang Zhao (SoutheastUniversity，211189) Abstract：This paper describes design and fabrication of super quality amplifier with adjustable gain bandwidth. Multiple measures were taken by this design to reduce noise, increase efficiency, and negative feedback to inhibit of zero-point drift. Measurement shows that this amplifier meets the design requirements, and can provide reliable reference for practicability of industrial production and electronic competition. Keywords：adjustable gain bandwidth；amplifier；negative feedback；accuracy ·16·
1.一般反相/同相放大电路中都会有一个平衡电阻，这个平衡电阻的作用是什么呢？ (1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。 芯片内部的电路通常都是直接耦合的，它能够自动调节静态工作点，但是，如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地，它的自动调节功能就不正常了，因为芯片内部的晶体管无法抬高地 线的电压，也无法拉低电源的电压，这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件，电路需要另外分 析。 (2)消除静态基极电流对输出电压的影响，大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡， 这也是其得名的原因。 2.同相比例运算放大器，在反馈电阻上并一个电容的作用是什么？？ (1)反馈电阻并电容形成一个高通滤波器, 局部高频率放大特别厉害。 (2)防止自激。 3.运算放大器同相放大电路如果不接平衡电阻有什么后果? (1)烧毁运算放大器，有可能损坏运放,电阻能起到分压的作用。 4.在运算放大器输入端上拉电容，下拉电阻能起到什么作用？？ (1)是为了获得正反馈和负反馈的问题，这要看具体连接。比如我把现在输入电压信号，输出电 压信号，再在输出端取出一根线连到输入段，那么由于上面的那个电阻，部分输出信号通过该电 阻后获得一个电压值，对输入的电压进行分流，使得输入电压变小，这就是一个负反馈。因为信 号源输出的信号总是不变的，通过负反馈可以对输出的信号进行矫正。 5.运算放大器接成积分器，在积分电容的两端并联电阻RF 的作用是什么？ (1) 泄放电阻，用于防止输出电压失控。 6.为什么一般都在运算放大器输入端串联电阻和电容？ (1)如果你熟悉运算放大器的内部电路的话，你会知道，不论什么运算放大器都是由几个几个晶 体管或是MOS 管组成。在没有外接元件的情况下，运算放大器就是个比较器，同相端电压高的时 候，会输出近似于正电压的电平，反之也一样……但这样运放似乎没有什么太大的用处，只有在 外接电路的时候，构成反馈形式，才会使运放有放大，翻转等功能…… 7.运算放大器同相放大电路如果平衡电阻不对有什么后果? (1)同相反相端不平衡，输入为0 时也会有输出，输入信号时输出值总比理论输出值大（或小） 一个固定的数。 (2)输入偏置电流引起的误差不能被消除。 8.理想集成运算放大器的放大倍数是多少输入阻抗是多少其同相输入端和反相输入端之间的电 压是多少？ (1) 放大倍数是无穷大，输入阻抗是无穷小，同向输入和反向输入之间电压几乎相同（不是0
2008 年 4 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS April， 2008 文章编号：1007-0249 (2008) 02-0031-05 高速高增益运算放大器的设计及应用* 朱颖，何乐年，严晓浪 （浙江大学超大规模集成电路设计研究所，浙江杭州 310027） ??ǖ本文设计了一种高速高增益放大器，该放大器通过增加全差分的共源共栅电路作为辅助放大器来提高运放增益，并采用频率补偿和钳位管相结合的技术改善运放的频响特性，使得运放在通频带范围内类似于单极点运放，大大减少了运放的转换时间。采用SMIC的0.35μm工艺模型进行仿真，结果表明，运放的直流增益达到110dB，带宽266MHz（负载电容C load=1pF），相位裕度55°，只需10ns即可达到0.1%的稳定精度，因而是一种有效的高速高精度运放的实现途径。 ???ǖ运算放大器；高增益；高速 ?????ǖTN401 ?????ǖA 1 引言 随着数模混和电路应用的发展，对模拟电路的速度和精度提出了越来越高的要求。模拟电路的速度和精度与运算放大器的性能有关，为了得到更快的速度和更高的精度，要求运算放大器具有更宽的单位增益带宽和更高的直流电压增益。 本文设计的运放用于光电鼠标芯片中的A/D变换的采样放大级。整体设计要求采样放大器的采样速率为12~40MHz，直流电压增益100dB。它的输入信号是CMOS图像传感器经双差分采样后的输出信号，幅度为±0.4V，经过开关电容电路构成的精确放大两倍的电路后，输出信号幅度为±0.8V。 以上是本文提出的对运放的速度和精度的要求。在通常的情况下，两级运算放大器在实现高精度的同时无法实现高速度[1]，共源共栅结构的运放在实现高速的同时无法实现高精度[1]。常规的高增益运算放大器可以实现很高的精度[1]，但是零极点对的存在严重影响了运放的稳定性和速度。为了同时满足速度和精度的要求，本文提出了一种改进的套筒型增益提高运算放大器，该运放采用频率补偿和钳位管相结合的技术改善运放的频响特性，减少运放的转换时间。另外为了达到加大输出摆幅的目的，还增加了一级增益接近于1的线性输入/输出特性电路。仿真表明，运放的直流增益达到110dB，带宽266MHz（负载电容C load=1pF），相位裕度55°，只需10ns即可达到0.1%的稳定精度，完全满足光电鼠标芯片采样放大级的要求。 2 电路结构 增益提高运算放大器使用折叠式共源共栅电路作为其辅助放大器，其实质就是通过反馈增加输出阻抗，从而达到增加增益的目的。增益提高放大器的常规电路图如图1(a)所示，改进电路图如图1(b)所示。常规的增益提高运算放大器的稳定性和转换时间常常受到零极点对的影响。如果零极点对所对应的频率小于闭环运放的主极点，需要的转换时间便大大延长。 为了加快转换时间，在辅助放大器的输出端增加了补偿电容，使得零点和极点尽可能地接近甚至对消。频率补偿后运放所表现的转换特性接近于单极点运放的转换特性，大大加快了运放的转换时间，具体将在3.1和3.2.1中论述。 对于折叠式共源共栅电路来说，针对其特点，在辅助放大器输出端增加了一对栅漏短接的NMOS 管，它们只在辅助放大器输出端的差值大于V th时导通，起钳位作用并加快了运放的转换速率。而且 * ????ǖ2005-01-25 ????：2005-07-03
运放带宽，增益带宽积和频率响应 任何电路的带宽都是最重要的。因此，运放带宽是运算放大器电路中一个特别重要的因素. 运放带宽、增益和增益带宽积都是紧密相关的。 由于任何运放都有限的带宽，在任何电路的设计开始时，都必须仔细考虑增益、带宽和频率响应。 运放带宽 虽然运算放大器有一个非常高的增益，这一级别的增益开始下降在一个低频。开环断点，即增益下降3dB的频率通常只有几赫兹。 长寿命和仍然非常流行的741运算放大器有一个6赫兹左右的开环断点。除此之外，响应以-6dB/倍频程或-20 dB/10的速率下降。注：八度是频率的两倍，十年是频率的十倍，因此这两个数字是表达相同特征的两种方式。 典型运算放大器开环增益带宽图
运放增益、带宽及补偿 OP放大器通常具有较低的断点的主要原因之一是，几乎所有OP AMP都包含了一个称为补偿的特性。 这种频率补偿用于确保运算放大器在所有工作条件下保持稳定。最早的运放容易发生不稳定，因此，几乎所有运放IC设计中都引入了补偿，这是理所当然的。 无补偿的典型运放开环增益带宽 补偿对运放带宽的影响是为了减小断点.这意味着，如果没有补偿，断点和带宽将更大，但代价是不稳定。 反馈对运放带宽的影响 在使用运算放大器设计实际电路时，采用负反馈来控制增益。应用这种反馈可以使非常高的增益交换带宽。 这样，就可以在所需的带宽范围内实现非常平坦的频率响应曲线。
闭环运算放大器增益和频率响应 运放增益带宽积 在设计运放电路时，一个称为运放增益带宽积的图形是很重要的。 OP放大器增益带宽积通常是为特定的运放类型、开环配置和加载的输出指定的： GBP=Avxf GBP=Avxf 其中： 运放增益带宽积 AV=电压增益 F=截止频率(Hz) 对于电压反馈放大器，运算放大器增益带宽积为常数.但是，由于增益和带宽之间的关系不是线性的，所以它不适用于电流反馈放大器。 因此，将增益降低10倍将使带宽增加同样的因子。
我始终觉得运放的压摆率（SR）是与运放的增益带宽积GBW同等重要的一个参数。但它却常常被人们所忽略。说它重要的原因是运入的增益带宽积GBW是在小信号条件下测试的。而运放处理的信号往往是幅值非常大的信号，这更需要关注运放的压摆率。 压摆率可以理解为，当输入运放一个阶跃信号时，运放输出信号的最大变化速度，如下图所示 它的数学表达式为： 因此在运放的数据手册中查到的压摆率的单位是V/us.下表就是运放datasheet中标出的运放的压摆率。 我在实验室里测过OPA333对阶跃信号响应的波形如下图所示。希望能让大家看的更直观：
讨论完定义和现象，我们来看一下压摆率SR的来源。先看一下运放的内部结构： 这个图有点眼熟，是的，运放的SR主要限制在内部第二级的Cc电容上。这个电容同时也决定着运放的带宽。那运放的压摆率，主要是由于对第二级的密勒电容充电过程的快慢所决定的。再深究一下，这个电容的大小会影响到运放的压摆率，同时充电电流的大小也会影响到充电的
快慢。这也就解释了，为什么一般超低功耗的运放压摆率都不会太高。好比水流流速小，池子又大。只能花更长的时间充满池子。 下表是一些常用到TI运放的压摆率和静态电流： 上面简单说了一个影响压摆率SR的因素。下面该说SR对放大电路的影响了。它的直接影响，就是使输出信号的上升时间或下降时间过慢，从而引起失真。下图是测试的OPA333增益G=10时波形。由于OPA333的增益带宽积为350kHz，理论上增益为10的时候的带宽为35kHz。但下图是24kHz时测试的结果。显然输出波形已经失真，原因就是压摆率不够了。带宽也变成了27kHz左右。
运放带宽相关知识 运放的带宽是表示运放能够处理交流信号的能力（转） 对于小信号，一般用单位增益带宽表示。单位增益带宽，也叫做增益/带宽积能够大致表示运放的处理信号频率的能力。例如某个运放的增益带宽=1MHz，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率=1MHz/100=10KHz。 对于大信号的带宽，既功率带宽，需要根据转换速度来计算。 对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。 运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。 比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。 当输出信号幅度很小在0.1Vp-p以下时，主要考虑增益带宽积的影响。就是Gain Bandwidth=放大倍数*信号频率。当输出信号幅度很大时，主要考虑转换速率Sr的影响，单位是V/uS。在这种情况下要算功率带宽，FPBW=Sr/2πVp-p。也就是在设计电路时要同时满足增益带宽和功率带宽。 主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。 1.开环带宽：开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。 2.单位增益带宽GB：单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 3.转换速率（也称为压摆率）SR：运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。 4.全功率带宽BW：全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πV op（Vop
运放参数解析定义全 一、单位增益带宽GB 单位增益带宽定义为：运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 二、运放的带宽是表示运放能够处理交流信号的能力 对于小信号，一般用单位增益带宽表示。单位增益带宽，也叫做增益带宽积，能够大致表示运放的处理信号频率的能力。例如某个运放的增益带宽=1MHz，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率1MHz/100=10KHz。 对于大信号的带宽，即功率带宽，需要根据转换速度来计算。 对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。
1、运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。 2、比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。 3、当输出信号幅度很小在0.1Vp-p以下时，主要考虑增益带宽积的影响。 就是Gain Bandwidth=放大倍数*信号频率。 当输出信号幅度很大时，主要考虑转换速率Sr的影响，单位是V/uS。 在这种情况下要算功率带宽，FPBW=Sr/2πVp-p。 也就是在设计电路时要同时满足增益带宽和功率带宽。 三、运放关于带宽和增益的主要指标以及定义 1、开环带宽：开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益
4. Unit gain bandwidth The gain–bandwidth product (designated as GBWP, GBW, GBP or GB ) for an amplifier is the product of the amplifier's bandwidth and the gain at which the bandwidth is measured. For devices such as operational amplifiers that are designed to have a simple one-pole frequency response, the gain–bandwidth product is nearly independent of the gain at which it is measured; in such devices the gain–bandwidth product will also be equal to the unity-gain bandwidth of the amplifier (the bandwidth within which the amplifier gain is at least 1). For an amplifier in which negative feedback reduces the gain to below the open-loop gain, the gain–bandwidth product of the closed-loop amplifier will be approximately equal to that of the open-loop amplifier. According to S. Srinivasan, "The parameter characterizing the frequency dependence of the operational amplifier gain is the finite gain–bandwidth product (GB)." Let be a first-order transfer function given by: We will show that: Proof: Example for
输入失调电压(O f f se t V o l t a g e，V O S) 定义：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为0。 优劣范围：1μV 以下，属于极优秀的。100μV 以下的属于较好的。最大的有几十mV。 对策：1、选择V OS远小于被测直流量的放大器，2、过运放的调零措施消除这个影响3、如果你仅关心被测信号中的交变成分，你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路，将其消除。 如果I B1=I B2，那么选择R1=R2//R F，可以使电流形成的失调电压会消失。但实际中I B1=I B2很难满足 ?失调电压漂移(O ff s e t V o l t a g e Dr if t) 定义：当温度变化(μV/°C)、时间持续(μV/M O)、供电电压(μV/V)等自变量变化时，输入失调电压会发生变化。 后果：很严重。因为它不能被调零端调零，即便调零完成，它还会带来新的失调。 对策：第一，就是选择高稳定性，也就是上述漂移系数较小的运放。第二，有些运放具有自归零技术，它能不断地测量失调并在处理信号过程中把当前失调电压减掉。 第一、偏置电流如何补偿 对于我们常用的反相运算放大器，其典型电路如下：
在这种情况下，R3为平衡电阻，这样，在可以很好的保证运放的电流补偿，使正负端偏置电流相等。若这些运算放大器知识你注意到了吗时，甚至取值更大时，会产生更大的噪声和飘逸。但是，应大于输入信号源的内阻。 善于思考的工程师都会想到，当为同相放大器的时候，其原理又是什么呢?现在我们先回顾下同相运放的设计电路： 当计算出的Rp为负值时，需要将该电阻移动到正相端，与R1串联在输入端。这里额外多插入一句，同相比例运放具有高输入阻抗，低输出阻抗的特性，广泛应用在前置运放电路中。 ?输入偏置电流(I np u t b i a s c u r r en t，I B) 定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。Ib=(Ib1+Ib2)/2优劣范围：60f A~100μA。 后果：第一，当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时，过 大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量失准。第二，当放大器输 入端通过一个电阻接地时，这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。 对策：为避免输入偏置电流对放大电路的影响，最主要的措施是 选择 I B较小的放大器。 第二、调零电路种种 今天运放已经发展的很迅速，附注功能各式各样，例如有些运放已经具有 了调零的外接端口，此时依据数据手册进合适的电阻选择就可以完成运放调零。例如LF356运放，其典型电路如下：
教科书所忽略的运算放大电路的有效带宽 你还并不熟悉的增益带宽积概念 这篇博客就来吧啦吧啦运算放大电路设计中，很多人都不清楚的几个概念和应用技巧。关键词主要有：有效带宽、各种增益、负反馈、稳定性、实例解说。 声明：本文只针对单电压反馈型运算放大器（VFA）电路进行分析说明。 整篇文章围绕“我们设计的电路实际的有效带宽是多少？”的问题进行解说。解说的思路： ①举例引出问题简单思考； ②找出埋藏在深处的多个关键点； ③再举经典电路实例说明实际应用中的妙处。 一、先看开题电路图例，引出简单的问题 图1同相、反相放大电路 上面是什么电路，大家不屑言说，不就是放大电路嘛，同相放大、反相放大，没什么可说道的！ 只说对了一半，电路是经典到普通的不能再普通的应用了。但在我眼里更愿把它们看成是有源滤波器，如果你经常处理微弱信号，我想你也会有这种看法的。这样一说，估计部分人就该有想法了吧。 不如我们先看看运算放大器噪声模型如下图所示，如果是闭环放大电路则同时要考虑外围电阻热噪声和电流噪声与电阻形成的电压噪声。
图2.1运放噪声模型图2.2 折算到输入的总的等效噪声 等效输入噪声，一般默认为等效到同相输入端。这里也不必去纠结“有的文章中怎么都放在反相输入端”的问题。其实只是2种思路。如果采用“在输入端加入抵消噪声电压”的思路去定义等效输入噪声，那么为了抵消正端的噪声，也就在负端输入相等的噪声了。也就出现了有的文章按此种方法来定义，把等效输入噪声模型就放到了负端。 我们常讲运放在选型时，其中一条规则就是“我们要用最合适的，不是最贵最大带宽的”，因为我们总是试图最小化电路噪声，进而更精密地处理微弱信号。往往带宽最合适是最有效的，就像运放噪声的各种类型都是由对应的噪声频谱密度来定义和给出的，我们最小化带宽也就最大限度地最小化了噪声。同时最小化的带宽也在以低通滤波的功能存在于电路中。 前文既然说是有源滤波器，增益好说，那运放电路有效带宽是多少呢，请看下文慢慢分解。 二、接续上文，解决带宽问题就要先看几个增益相关的概念： 增益带宽积（GBP）：大多都不陌生，针对上面的疑问，大家首先想到的估计也是这个概念。很好，它是闭环条件下VFA的普遍属性，当开环频响为单级点时，增益带宽积在数值上就等于单位增益带宽了。可以参见下图理解其概念。 大家在电路设计中有目的地依据GBP选型，都觉得很了解运放了，但是我现在要问：稍微想一下增益带宽积到底是哪个增益和哪个带宽的积呢？为什么是那个样子呢？你的概念里又有几种增益几种带宽呢？下面的内容会逐渐解惑并给出具体结论的。