运算放大器及频率补偿优秀课件
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教学课件：第五讲-运算放大器及频率补偿分解
运算放大器可以用于构建音频滤波器， 对音频信号进行滤波处理，去除噪声 或突出特定频段。
音频均衡器
通过使用运算放大器，可以调整音频 信号的频谱分布，实现音频均衡处理， 改善音质。
模拟电路中的信号放大
信号调理电路
运算放大器在模拟电路中常用于 信号调理，将微弱的模拟信号放
大到合适的幅度范围。
模拟电路放大器
02
运算放大器的频率响应
频率响应的定义与重要性
频率响应的定义
频率响应是指运算放大器在不同频率 下的输出电压与输入电压之比。它是 衡量运算放大器性能的重要参数之一 。
频率响应的重要性
频率响应决定了运算放大器在不同频 率下的放大倍数，从而影响电路的性 能。了解频率响应有助于合理选择和 使用运算放大器，优化电路设计。
பைடு நூலகம்
THANKS
感谢观看
随着新材料和新工艺的发展，未来运算放大器和频率补偿 技术将更加高效和可靠，具有更广泛的应用前景。
智能化与自动化的趋势
随着人工智能和自动化技术的不断发展，未来的运算放大 器和频率补偿技术将更加智能化和自动化，能够自适应地 调整参数以满足不同应用需求。
系统集成与小型化的挑战
随着电子系统集成度的不断提高和小型化的发展，如何实 现高性能、低噪声、小体积的运算放大器和频率补偿技术 将是一个重要的研究方向。
试。
元件选择
根据设计要求选择适当的电阻 和电容值，确保电路的稳定性
和性能。
仿真验证
使用电路仿真软件对设计进行 验证，调整元件值以优化性能
。
实际电路测试
搭建实际电路，测试其性能指 标，如带宽、稳定性、失真等
。
04
运算放大器的应用实例
第十一章运算放大器-PPT精品
2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo
愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。
3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 愈小愈好 5. 输入偏置电流 IIB 6. 共模输入电压范围 UICM
运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
称反相输入端“虚
输以出后的如另不一加端说均明为，地输()入。、地特”点—uo
因要求静态时u+、 u– 对
地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF
Auf
反相输入的重要
RF R1
ui
uo RF
ui
R1
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2. 同相比例运算 （1）电路组成
RF
R1 u– –
+
+ ui
R2 u+ +
–
（2）电压放大倍数
因虚断，所以u+ = ui
u
R1 R1 RF
uo
+ 因虚短，所以 u– = ui ， uo 反相输入端不“虚地”
–
uo
(1
RF R1
)ui
因要求静态时u+、u对地 电阻相同，
偏置电路是为各级提供合适的工作 电流。
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反相 输入端
u–
u+
同相 输入端
输入级
+UCC 输出端
uo 中间级 输出级 –UEE
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左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图
愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。
3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 愈小愈好 5. 输入偏置电流 IIB 6. 共模输入电压范围 UICM
运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
称反相输入端“虚
输以出后的如另不一加端说均明为，地输()入。、地特”点—uo
因要求静态时u+、 u– 对
地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF
Auf
反相输入的重要
RF R1
ui
uo RF
ui
R1
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2. 同相比例运算 （1）电路组成
RF
R1 u– –
+
+ ui
R2 u+ +
–
（2）电压放大倍数
因虚断，所以u+ = ui
u
R1 R1 RF
uo
+ 因虚短，所以 u– = ui ， uo 反相输入端不“虚地”
–
uo
(1
RF R1
)ui
因要求静态时u+、u对地 电阻相同，
偏置电路是为各级提供合适的工作 电流。
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反相 输入端
u–
u+
同相 输入端
输入级
+UCC 输出端
uo 中间级 输出级 –UEE
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左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图
运算放大器介绍54页PPT
vI
R1
vN -
vP
A +
vO
AV= -（Rf / R1）= -20/10= -2
R2
Vo= AV Vi=(-2)(-1)=2V
2.3 基本线性运放电路
2.同相比例运算电路
Rf
虚断 v P = v I
0vN = vN vO
R1
Rf
R1
vN
-
vI
vP
A +
vO
虚短
vN = vP
vO
=
(1
Rf R1
= 2R6m'LVIEvX
IE
=
IC3 2
1 2
vy Re
vO =KvXvY
2.5 模拟乘法器电路
2、模拟乘法器符号 vO =KvXvY
K为比例因子，一般为正。
3、乘法运算
2.5 模拟乘法器电路
4、乘方和立方运算
2.5 模拟乘法器电路
5、除法运算
根据虚端虚断有：
-
v2 =Kvx2vO
+
Vo与vx1、vx2之商成比例，实现了除法运算 只有当vx2为正极性时，才能保证运放处于负反馈状态 vx1则可正可负
iCiEIESe VT
vO=VTlnvR S VTlnIES
其中，IES 是发射结反向饱和电流，vO是vS的对数运算。
2.4 基本运算电路
4. 反对数运算电路
利用虚短和虚断，电路有
iF
R
vS =vBE
vB E
iFiEIESe VT
vS
iE T
–
+
vO
vO =iFR
vS
vO =IESe VT
放大器的频率特性和集成运算放大器的应用课件
提高输入电阻等。
放大级
放大级是运算放大器的第二级， 主要作用是进一步放大输入信号
，同时提高输出电阻。
输出级
输出级是运算放大器的最后一级 ，主要作用是将放大的信号输出
到负载。
集成运算放大器的主要技术指标
开环增益
开环增益是运算放大器的一个重要指标，它反映 了运算放大器对输入信号的放大能力。
带宽
带宽是运算放大器的另一个重要指标，它反映了 运算放大器的工作频率范围。
03
在音频放大器设计中，还需考虑噪声和失真等性能指标 ，以确保放大后的音频信号质量优良。
应用实例：无线通信系统的频率调制电路
01
无线通信系统中的频率调制电路是实现信号调制的关键部分。
02
选择具有高速响应和低失真的放大器，用于频率调制电路，以
确保信号调制的质量和稳定性。
在频率调制电路中，还需考虑放大器的线性度和带宽等性能指
电流放大器
1 2
电流放大器的基本原理
利用晶体管的Ib控制集电极电流Ic实现电流放大 。
共发射极电流放大器
晶体管的发射极作为输入和输出公共端，基极作 为控制端，集电极作为输出端的电流放大器。
3
共基极电流放大器
晶体管的基极作为输入和输出公共端，发射极作 为控制端，集电极作为输出端的电流放大器。
电压跟随器
03
标，以满足无线通信系统的要求。
应用实例：自动控制系统的反馈控制电路
自动控制系统中的反馈控制电路 用于实现系统输出的调节和控制
。
选择具有高灵敏度和快速响应的 放大器，用于反馈控制电路，以 确保系统控制的准确性和稳定性
。
在反馈控制电路中，还需考虑放 大器的输入和输出阻抗匹配问题 ，以确保系统控制的精度和稳定
放大级
放大级是运算放大器的第二级， 主要作用是进一步放大输入信号
，同时提高输出电阻。
输出级
输出级是运算放大器的最后一级 ，主要作用是将放大的信号输出
到负载。
集成运算放大器的主要技术指标
开环增益
开环增益是运算放大器的一个重要指标，它反映 了运算放大器对输入信号的放大能力。
带宽
带宽是运算放大器的另一个重要指标，它反映了 运算放大器的工作频率范围。
03
在音频放大器设计中，还需考虑噪声和失真等性能指标 ，以确保放大后的音频信号质量优良。
应用实例：无线通信系统的频率调制电路
01
无线通信系统中的频率调制电路是实现信号调制的关键部分。
02
选择具有高速响应和低失真的放大器，用于频率调制电路，以
确保信号调制的质量和稳定性。
在频率调制电路中，还需考虑放大器的线性度和带宽等性能指
电流放大器
1 2
电流放大器的基本原理
利用晶体管的Ib控制集电极电流Ic实现电流放大 。
共发射极电流放大器
晶体管的发射极作为输入和输出公共端，基极作 为控制端，集电极作为输出端的电流放大器。
3
共基极电流放大器
晶体管的基极作为输入和输出公共端，发射极作 为控制端，集电极作为输出端的电流放大器。
电压跟随器
03
标，以满足无线通信系统的要求。
应用实例：自动控制系统的反馈控制电路
自动控制系统中的反馈控制电路 用于实现系统输出的调节和控制
。
选择具有高灵敏度和快速响应的 放大器，用于反馈控制电路，以 确保系统控制的准确性和稳定性
。
在反馈控制电路中，还需考虑放 大器的输入和输出阻抗匹配问题 ，以确保系统控制的精度和稳定
运算放大器的频率补偿资料
X
(
j1 )
0.7 F
8/23/2019
相位裕度
16
稳定相位裕度
由上式可以看出：
当PM＜60°时，上式的值大于1，即表示在ω＝ω1
处系统的闭环频率响应存在一个尖峰，这表示该系 统稳定，但可能还存在减幅振荡。
当PM＝60°时，上式的值为1，表明此时在系统的
闭环频率响应中频率峰值已不存在。这表示反馈系 统的阶跃响应出现小的减幅振荡现象，系统稳定而
VinCM ,max VDD VGS3 VTHN
VOD
2ID
,
KW L
COX
W L
VinCM ,min VSS VOD5 VGS1 VSS VOD5 VOD1 VTHN1
SR I5 /Cc
Pdiss (VDD VSS ) Itotal
8/23/2019
概述
6
波特（Bode）图
1、在每个零点频率处，幅值 曲线的斜率按20dB/dec变化； 在每个极点频率处，其斜率按 －20dB/dec变化。 2、对一个在左半平面的极点 （零点）频率ωm ，相位约在 0.1 ωm处开始下降（上升）， 在ωm处经历－45°（ ＋45的变 化，在大约10 ωm处达到－90 °（ ＋90 °）的变化。右半 平面的情况，反之。
增益交点、相位交点
基本概念： 相位交点：PX，相位=-180°时的角频率。 增益交点：GX，增益=1时的角频率。
稳定条件：相位=-180°时，增益>1，振荡； 增益=1时，相位< -180°，稳定。
8/23/2019
概述
5
稳定条件：增益交点GX<相位交点PX
(
j1 )
0.7 F
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相位裕度
16
稳定相位裕度
由上式可以看出：
当PM＜60°时，上式的值大于1，即表示在ω＝ω1
处系统的闭环频率响应存在一个尖峰，这表示该系 统稳定，但可能还存在减幅振荡。
当PM＝60°时，上式的值为1，表明此时在系统的
闭环频率响应中频率峰值已不存在。这表示反馈系 统的阶跃响应出现小的减幅振荡现象，系统稳定而
VinCM ,max VDD VGS3 VTHN
VOD
2ID
,
KW L
COX
W L
VinCM ,min VSS VOD5 VGS1 VSS VOD5 VOD1 VTHN1
SR I5 /Cc
Pdiss (VDD VSS ) Itotal
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概述
6
波特（Bode）图
1、在每个零点频率处，幅值 曲线的斜率按20dB/dec变化； 在每个极点频率处，其斜率按 －20dB/dec变化。 2、对一个在左半平面的极点 （零点）频率ωm ，相位约在 0.1 ωm处开始下降（上升）， 在ωm处经历－45°（ ＋45的变 化，在大约10 ωm处达到－90 °（ ＋90 °）的变化。右半 平面的情况，反之。
增益交点、相位交点
基本概念： 相位交点：PX，相位=-180°时的角频率。 增益交点：GX，增益=1时的角频率。
稳定条件：相位=-180°时，增益>1，振荡； 增益=1时，相位< -180°，稳定。
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概述
5
稳定条件：增益交点GX<相位交点PX
《运算放大器》课件
《运算放大器》PPT 课件目录CONTENTS•运算放大器概述•运算放大器的工作原理•运算放大器的应用•运算放大器的选择与使用•运算放大器的性能指标•运算放大器的设计实例01运算放大器概述0102运算放大器的定义它能够实现加、减、乘、除等基本算术运算，因此得名“运算放大器”。
运算放大器（简称运放）是一种具有高放大倍数的电路单元，其输出信号与输入信号之间存在一定的数学关系。
运算放大器的开环放大倍数极高，一般在10^4~10^6之间。
高放大倍数运算放大器的输入阻抗很大，使得它对信号源的影响很小。
输入阻抗高运算放大器的输出阻抗很小，使得它对负载的影响也很小。
输出阻抗低运算放大器对共模信号的抑制能力很强，能够有效地抑制温漂和干扰信号。
共模抑制比高运算放大器的基本特点可以分为通用型、高精度型、高速型、低功耗型等。
按性能指标分类按电路结构分类按工作原理分类可以分为分立元件型和集成电路型。
可以分为线性运放和开关电容型运放。
030201运算放大器的分类02运算放大器的工作原理1 2 3差分输入是指运算放大器使用两个输入信号的差值作为输入，以实现更高的精度和抑制噪声。
差分输入电路可以消除共模信号，只对差模信号进行放大，从而提高信号的信噪比。
差分输入电路的对称性和平衡性对放大器的性能有重要影响，因此需要精心设计和选择合适的元件。
差分输入放大倍数01放大倍数是运算放大器的重要参数，表示输出电压与输入电压的比值。
02运算放大器的放大倍数很高，通常在100dB以上，即放大10万倍以上。
03放大倍数可以通过外接电阻和电容进行调节，以满足不同的应用需求。
输出电压与输入电压的关系01输出电压与输入电压的关系是运算放大器的基本工作特性之一。
02当输入电压变化时，输出电压会相应地变化，以保持放大倍数恒定。
03输出电压与输入电压的关系是非线性的，但在一定的线性范围内，可以近似认为放大倍数是恒定的。
非线性范围是指输入电压超过一定范围时，输出电压与输入电压不再成正比关系，放大倍数发生变化。
运算放大器稳定性及频率补偿
信息科学与技术学院模拟CMOS集成电路设计——稳定性与频率补偿学习报告姓名：学号：二零一零年十二月稳定性及频率补偿2010-12-3一、自激振荡产生原因及条件1、自激振荡产生原因及条件考虑图1所示的负反馈系统，其中β为反馈网络的反馈系数，并假定β是一个与频率无关的常数，即反馈网络由纯电阻构成，不产生额外的相移(0βϕ=)；H (s )为开环增益，则()H s β为环路增益。
所以，该系统输入输出之间的相移主要由基本放大电路产生。
图1 基本负反馈系统 该系统的闭环传输函数(即系统增益)可写为：()()1()Y H s s X H s β=+ 由上式可知，若系统增益分母1()H s j βω==-1，则系统增益趋近于∞，电路可以放大自身的噪声直到产生自激振荡，即：如果1()H j βω=-1，则该电路可以在频率1ω产生自激振荡现象。
则自激振荡条件可表示为：1|()|1H j βω=1()180H j βω∠=-注意到，在1ω时环绕这个环路的总相移是360，因为负反馈本身产生了180的相移，这360的相移对于振荡是必需的，因为反馈信号必须同相地加到原噪声信号上才能产生振荡。
为使振荡幅值能增大，要求环路增益等于或者大于1。
所以，负反馈系统在1ω产生自激振荡的条件为：(1)在该频率下，围绕环路的相移能大到使负反馈变为正反馈；(2)环路增益足以使信号建立。
2、重要工具波特图判断系统是否稳定的重要工具是波特图。
波特图根据零点和极点的大小表示一个复变函数的幅值和相位的渐进特性。
波特图的画法：(1)幅频曲线中，每经过一个极点P ω(零点Z ω)，曲线斜率以-20dB/dec(+20dB/ dec)变化；(2)相频曲线中，相位在0.1P ω(0.1Z ω)处开始变化，每经过一个极点P ω(零点Z ω)，相位变化-45(±45)，相位在10P ω(10Z ω)处变化-90(±90)；(3)一般来讲，极点(零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。
运算放大器及频率补偿69页PPT
运算放大器及频率补偿
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
以被永 远肯定 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
以被永 远肯定 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
运算放大器ppt课件
2.运算放大器的参数和分类
• 主要有低频增益、单位增益频率、相位边 限、功耗、输出摆幅、共模抑制比、电源 抑制比、共模输入范围、电压摆动率、输 入偏移电压、还有噪声等
• 按工作原理可分为电压放大型、电流放大 型、跨导型和互阻型。
• 按性能指标可分为高阻型、高速型、高精 度型和低耗型
运算放大器 Operational Amplifier
1.运算放大器的简介
• 运算放大器是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。
• 运算放大器最早被设计出来的目的是用来 进行加，减，微分，积分的模擬机（analog computer）的 基本建构单元。
第11章运算放大器 63页PPT文档
+
uo
–
小于输入信号，即 uf 的存在使净 输入信号减小，所以为负反馈。
反馈电压
uf
RFR1R1u0
取自输出电压，并与之成正比， 故为电压反馈。
ห้องสมุดไป่ตู้
uf 与 ui 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联
反馈。
1. 串联电压负反馈
RF
串联电压负反馈方框图
–
uf R1
+
ud–
–
+
ui
R2
+
平衡电阻 R 2 R 1/1 R /1/2 R /F
11.3.3 减法运算
如果两个输入端都有信号 输入，则为差分输入。
if RF
由图可列出
ii R1
u
R3 R2 R3
ui2
uui1R1ii
–
+
u–i1
+ u–i2
R2
++
R3
+
uo
–
ui1R1R 1RF(ui1uo)
因为 uu，故上列两式可得
负饱和区
u u
uo UO(sat)
理想运放电压传输特性
u u
uo 发生跃变
11.1.2 理想运算放大器及其分析依据
运放工作在线性区的依据 1. u+ u–
u– id
u+
– rid ++
uo
由于运放 Auo ，而 故从式 uoA uo(uu) ，可知
uo
是有限值，
(u
Auf
uo ui
1
11.3.2 加法运算
(推荐)运算放大器精选PPT
电路的三级直接耦合放大电路。 第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了显著提高，各方面性能指标比较均衡，属于通用型运放。
• WIDE BANDWIDTH QUAD J-FET HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
按性能指标可分为高阻型、高速型、高精度型和低耗型 第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化。
HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
于通用型运放。 HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化。 运算放大器的参数和分类
第二代产• 品普第遍采三用了代有源产负载品，简的化了输电路入的设级计，采并使用开环了增益超有了β显管著提，高，β各值方面高性能达指标1比0较0均0衡，~属5于0通0用0型倍运放，。
2.运算放大器的参数和分类
• 主要有低频增益、单位增益频率、相位边 限、功耗、输出摆幅、共模抑制比、电源 抑制比、共模输入范围、电压摆动率、输 入偏移电压、还有噪声等
• 按工作原理可分为电压放大型、电流放大 型、跨导型和互阻型。
• 按性能指标可分为高阻型、高速型、高精 度型和低耗型
3.集成运放的发展概况
按工作原• 理可第分为一电压代放大产型、品电流基放大本型、沿跨导用型和了互阻分型。立元件放大电路的设计思想，采 用集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向PNP管，构 按性能指标可分为高阻型、高速型、高精度型和低耗型
第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了显著提高，各方面性能指标比较均衡，属于通用型运放。
• WIDE BANDWIDTH QUAD J-FET HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
按性能指标可分为高阻型、高速型、高精度型和低耗型 第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化。
HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
于通用型运放。 HIGH INPUT IMPEDANCE J–FET INPUT STAGE
第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化。 运算放大器的参数和分类
第二代产• 品普第遍采三用了代有源产负载品，简的化了输电路入的设级计，采并使用开环了增益超有了β显管著提，高，β各值方面高性能达指标1比0较0均0衡，~属5于0通0用0型倍运放，。
2.运算放大器的参数和分类
• 主要有低频增益、单位增益频率、相位边 限、功耗、输出摆幅、共模抑制比、电源 抑制比、共模输入范围、电压摆动率、输 入偏移电压、还有噪声等
• 按工作原理可分为电压放大型、电流放大 型、跨导型和互阻型。
• 按性能指标可分为高阻型、高速型、高精 度型和低耗型
3.集成运放的发展概况
按工作原• 理可第分为一电压代放大产型、品电流基放大本型、沿跨导用型和了互阻分型。立元件放大电路的设计思想，采 用集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向PNP管，构 按性能指标可分为高阻型、高速型、高精度型和低耗型
第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了显著提高，各方面性能指标比较均衡，属于通用型运放。
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能否级联比两级更多的级数来获得更高的增益？
每级运放引入至少一个极点，多级运放很难 保证系统的稳定性。
很少用多于两级的运放。
19
5.4 增益的提高
增益的提高可以通过进一步提高输出阻抗，而不是增 加共源共栅器件！
13
套筒式和折叠式共源共栅运放也可以设计成单端输出。
共源共栅 电流镜
VOUT最大值： VDD—
（2VOD+Vth）
VOUT最大值： VDD-2VOD
14
单端输出运放（a）与全差动运放（b）相比，存在缺点： 1、仅能提供输出摆幅的一半； 2、包含镜像极点，不如（b）稳定。
尽管全差动结构需要反馈环路来确定输出共模电 平，还是全差动结构更好！
电压输出摆幅和器件尺寸、偏置电流、速度相
关，相互牵制，在设计时需全面考虑
4、线性度
➢ 开环运放有很大的非线性，如漏电流和输入电压之
间的非线性。
➢ 提高线性度的方法：
采用全差动实现方式抑制偶次项谐波；
使用闭环系统，并提供足够的开环增益以达到足够
的精度。
大尺寸或大的偏置电流其噪 声和失调较大
噪声和输出摆幅之间的折衷： 电流不变，过驱动电压降低
运算放大器及频率补偿
第五讲 运算放大器及频率补偿
1Hale Waihona Puke 5.1 概述 5.2 单级运放 5.3 两级运放 5.4 增益的提高 5.5 共模反馈 5.6 输入范围 5.7 转换速率 5.8 电源抑制 5.9 运放的频率补偿 5.10 运放的设计
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5.1 概述
一、运放定义 — 高增益的差动放大器，通常增益范围在101~105。 —运放一般用来实现一个反馈系统，其开环增益大 小根据闭环电路的精度要求来选取；
环路 增益
闭环增益 误差
βA越大，Y/X对A的变化越不 敏感，通过增加β或A使闭环
增益更加精确。
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二、性能参数
1、增益
在运放的整体设计中需对各参数进 行折衷考虑。
➢ 运放的开环增益确定了使用运放反馈系统的精度。
➢ 高开环增益对于抑制非线性是必须的。
2、小信号带宽
➢ 当运放工作频率增加，开环增益下降，反馈系统误差 加大。
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（3）输入共模电平接近电源的一端电压（VDD或VSS）
输入共模 电平可以 等于VDD
以PMOS管为输入对管时，输入共模电平可以为0电平。
与套筒式共源共栅运放相比，折叠式共源共栅运放： 输出摆幅大些，但具有较大的功耗、更低的增益和较低的极 点频率。 此外，由于输入、输出可以短接，输入共模电平更容易选择， 获得更为广泛的应用。
小于阈值电压
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套筒式共源共栅运放的缺点是较小的输出摆幅，以及 很难将输入输出短接以形成单位增益缓冲器。
折叠式共源共栅运放可以减小以上不利因素。
NMOS共 源共栅
PMOS共 源共栅
最小值可 以是0电位
最大值可 以是Vdd
折叠共源 共栅尾电
流源
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输入对 管尾电 流源
折叠共源 共栅尾电
流源
PMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
5、噪声与失调
以提高输出摆幅，跨导增加，
➢ 确定了能被处理的最小信号电平。 漏电流噪声增加。
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6、电源抑制 电源噪声会影响运放的性能，因此全差动结构更受欢
迎。
前面研究的全部差动放大器均称
5.2 单级运放
为运放。
注意两个 电路极点
区别
镜像 极点
简单运放结构
低频小信号增益： gmN (roN roP )
notice： （1）ISS1=ISS/2+ID3，折叠结构消耗更大的功率。 （2）输入共模电平需大于Vb1-VGS3+VTHP，允许 将输入和输出短接。
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折叠式共源共栅运放的特点： （1）大的输出摆幅
单 边 输 出 摆 幅 ： V D D - ( V O D 3 + V O D 5 + V O D 7+ V O D 9)
增益是NMOS套筒 式共源共栅运放的
1/3~1/2
M5减小了输出阻抗
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1 (gm3gmb3)
与 Cx乘 积
NMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
与PMOS作为输入管的结构相比，NMOS作为输入管的折 叠cascode运放可以提供更高的增益，但其折叠点上的极点 更低（M3跨导低，此外，对于相同电流，M5的尺寸要更 大，电容就更大）。
AAV1 AV2
总增益与共源共栅结构相当
单边输出摆幅为：
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要获得高增益，第一级可以采用共源共栅结构。
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两级运放也可以提供单端输出。 方法之一是将两个输出级的差 动电流转换成单端电压： —维持了第一级的差动特性； —若将输出与输入短接，形成 单位增益缓冲器， 其缺点：VOUTmin=VGS2+VISS， 限制了输出摆幅。
稳定性比较
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要得到高增益，采用共源共栅结构
镜像极 点
单端 输出
“套筒式”共源共栅运放
增益数量级约为： 以减小输出摆幅，增加极点为代价。 全差动电路输出摆幅：
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套筒式运放的另一个缺点： 很难将输入输出短接，以形成单位增益缓冲器。
什么条件下， M2和M4工 作在饱和区？
输出电压摆幅：
M2饱和 M4饱和
比套筒式共源共栅运放的单边输 出摆幅小了一个尾电流源的过驱 动电压。 M5、M6流过电流大，若器件 尺寸小，需要较大的过驱动电压。
（2）小信号增益:
折叠点X点的极点由于具有 更大的电容，更靠近原点。
A v g m 1 { [ ( g m 3 g m b 3 ) r o 3 ( r o 1 | | r o 5 ) ] | | [ ( g m 7 g m b 7 ) r o 7 r o 9 ] }
➢ 通常定义为单位增益频率，指运放开环电压增益下降 到1（或0dB）时的频率。
也可以规定3dB频率f3dB。
对于单极点系统，A(s）=A0/ （1+s/ω0），ω0是3dB带宽， A0 ω0 是增益带宽积（GBW），决定闭环系
统的时间常数。
4
3、输出摆幅 ➢ 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范 围的信号值。 ➢ 对大输出摆幅的需求使全差动运放使用十分普遍。
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5.3两级运放 单级运放的缺点：
1、增益被输入对管跨导与输出阻抗的乘积所限制； 2、要获得高增益，如采用共源共栅结构，则限制输出摆幅。
第二级采用简单的共源级，以提 供最大的输出摆幅。
采用两级运放，将增益和摆幅的要求分开处理： 1、第一级提供高增益；
2、第二级提供大的输出摆幅。
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第一级增益gm1,2(ro1,2 ro3,4) 第二级增益gm5,6(ro5,6 ro7,8)
每级运放引入至少一个极点，多级运放很难 保证系统的稳定性。
很少用多于两级的运放。
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5.4 增益的提高
增益的提高可以通过进一步提高输出阻抗，而不是增 加共源共栅器件！
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套筒式和折叠式共源共栅运放也可以设计成单端输出。
共源共栅 电流镜
VOUT最大值： VDD—
（2VOD+Vth）
VOUT最大值： VDD-2VOD
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单端输出运放（a）与全差动运放（b）相比，存在缺点： 1、仅能提供输出摆幅的一半； 2、包含镜像极点，不如（b）稳定。
尽管全差动结构需要反馈环路来确定输出共模电 平，还是全差动结构更好！
电压输出摆幅和器件尺寸、偏置电流、速度相
关，相互牵制，在设计时需全面考虑
4、线性度
➢ 开环运放有很大的非线性，如漏电流和输入电压之
间的非线性。
➢ 提高线性度的方法：
采用全差动实现方式抑制偶次项谐波；
使用闭环系统，并提供足够的开环增益以达到足够
的精度。
大尺寸或大的偏置电流其噪 声和失调较大
噪声和输出摆幅之间的折衷： 电流不变，过驱动电压降低
运算放大器及频率补偿
第五讲 运算放大器及频率补偿
1Hale Waihona Puke 5.1 概述 5.2 单级运放 5.3 两级运放 5.4 增益的提高 5.5 共模反馈 5.6 输入范围 5.7 转换速率 5.8 电源抑制 5.9 运放的频率补偿 5.10 运放的设计
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5.1 概述
一、运放定义 — 高增益的差动放大器，通常增益范围在101~105。 —运放一般用来实现一个反馈系统，其开环增益大 小根据闭环电路的精度要求来选取；
环路 增益
闭环增益 误差
βA越大，Y/X对A的变化越不 敏感，通过增加β或A使闭环
增益更加精确。
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二、性能参数
1、增益
在运放的整体设计中需对各参数进 行折衷考虑。
➢ 运放的开环增益确定了使用运放反馈系统的精度。
➢ 高开环增益对于抑制非线性是必须的。
2、小信号带宽
➢ 当运放工作频率增加，开环增益下降，反馈系统误差 加大。
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（3）输入共模电平接近电源的一端电压（VDD或VSS）
输入共模 电平可以 等于VDD
以PMOS管为输入对管时，输入共模电平可以为0电平。
与套筒式共源共栅运放相比，折叠式共源共栅运放： 输出摆幅大些，但具有较大的功耗、更低的增益和较低的极 点频率。 此外，由于输入、输出可以短接，输入共模电平更容易选择， 获得更为广泛的应用。
小于阈值电压
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套筒式共源共栅运放的缺点是较小的输出摆幅，以及 很难将输入输出短接以形成单位增益缓冲器。
折叠式共源共栅运放可以减小以上不利因素。
NMOS共 源共栅
PMOS共 源共栅
最小值可 以是0电位
最大值可 以是Vdd
折叠共源 共栅尾电
流源
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输入对 管尾电 流源
折叠共源 共栅尾电
流源
PMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
5、噪声与失调
以提高输出摆幅，跨导增加，
➢ 确定了能被处理的最小信号电平。 漏电流噪声增加。
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6、电源抑制 电源噪声会影响运放的性能，因此全差动结构更受欢
迎。
前面研究的全部差动放大器均称
5.2 单级运放
为运放。
注意两个 电路极点
区别
镜像 极点
简单运放结构
低频小信号增益： gmN (roN roP )
notice： （1）ISS1=ISS/2+ID3，折叠结构消耗更大的功率。 （2）输入共模电平需大于Vb1-VGS3+VTHP，允许 将输入和输出短接。
10
折叠式共源共栅运放的特点： （1）大的输出摆幅
单 边 输 出 摆 幅 ： V D D - ( V O D 3 + V O D 5 + V O D 7+ V O D 9)
增益是NMOS套筒 式共源共栅运放的
1/3~1/2
M5减小了输出阻抗
11
1 (gm3gmb3)
与 Cx乘 积
NMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
与PMOS作为输入管的结构相比，NMOS作为输入管的折 叠cascode运放可以提供更高的增益，但其折叠点上的极点 更低（M3跨导低，此外，对于相同电流，M5的尺寸要更 大，电容就更大）。
AAV1 AV2
总增益与共源共栅结构相当
单边输出摆幅为：
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要获得高增益，第一级可以采用共源共栅结构。
18
两级运放也可以提供单端输出。 方法之一是将两个输出级的差 动电流转换成单端电压： —维持了第一级的差动特性； —若将输出与输入短接，形成 单位增益缓冲器， 其缺点：VOUTmin=VGS2+VISS， 限制了输出摆幅。
稳定性比较
6
要得到高增益，采用共源共栅结构
镜像极 点
单端 输出
“套筒式”共源共栅运放
增益数量级约为： 以减小输出摆幅，增加极点为代价。 全差动电路输出摆幅：
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套筒式运放的另一个缺点： 很难将输入输出短接，以形成单位增益缓冲器。
什么条件下， M2和M4工 作在饱和区？
输出电压摆幅：
M2饱和 M4饱和
比套筒式共源共栅运放的单边输 出摆幅小了一个尾电流源的过驱 动电压。 M5、M6流过电流大，若器件 尺寸小，需要较大的过驱动电压。
（2）小信号增益:
折叠点X点的极点由于具有 更大的电容，更靠近原点。
A v g m 1 { [ ( g m 3 g m b 3 ) r o 3 ( r o 1 | | r o 5 ) ] | | [ ( g m 7 g m b 7 ) r o 7 r o 9 ] }
➢ 通常定义为单位增益频率，指运放开环电压增益下降 到1（或0dB）时的频率。
也可以规定3dB频率f3dB。
对于单极点系统，A(s）=A0/ （1+s/ω0），ω0是3dB带宽， A0 ω0 是增益带宽积（GBW），决定闭环系
统的时间常数。
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3、输出摆幅 ➢ 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范 围的信号值。 ➢ 对大输出摆幅的需求使全差动运放使用十分普遍。
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5.3两级运放 单级运放的缺点：
1、增益被输入对管跨导与输出阻抗的乘积所限制； 2、要获得高增益，如采用共源共栅结构，则限制输出摆幅。
第二级采用简单的共源级，以提 供最大的输出摆幅。
采用两级运放，将增益和摆幅的要求分开处理： 1、第一级提供高增益；
2、第二级提供大的输出摆幅。
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第一级增益gm1,2(ro1,2 ro3,4) 第二级增益gm5,6(ro5,6 ro7,8)