高速高增益运算放大器的设计及应用
运算放大器工作原理及应用
运算放大器工作原理及应用
运算放大器是一种基本的放大器电路，其主要作用是将输入信号放大并输出。
它采用了差分放大电路，将两个输入信号进行放大和差分运算，并输出放大后的差分信号。
运算放大器具有以下几个重要特点：
1. 高增益：运算放大器具有非常高的增益，通常在几千到几百万倍之间，使得输入信号可以得到大幅度放大。
2. 差分输入：运算放大器有两个输入端，称为非反相输入端（+）和反相输入端（-）。
它可以对这两个输入信号进行差分放大，从而实现对输入信号的放大和运算。
3. 可调增益：运算放大器具有可调增益的特性，可以通过外部电阻进行调节，以满足不同的放大需求。
4. 高输入阻抗和低输出阻抗：运算放大器的输入阻抗非常高，几乎不消耗输入信号的能量；而输出阻抗非常低，可以驱动各种负载。
运算放大器广泛应用于各种电子电路中，例如：
1. 仪器测量：运算放大器可以对微弱的传感器信号进行放大和处理，从而实现精确的测量和控制。
2. 运算放大器放大电路：在电路中，运算放大器可以用于对电
压、电流、频率等信号进行放大。
3. 模拟计算机：运算放大器可以用于实现各种模拟计算机的基本运算，例如加法、减法、乘法等。
4. 滤波器：运算放大器可以与电容、电感等元件组成滤波电路，用于对信号进行滤波和去噪。
总之，运算放大器是一种非常重要的放大器电路，具有高增益、可调增益、差分输入和广泛的应用领域。
它在电子工程中有着非常重要的作用。
电路中的运算放大器有哪些特点和应用
电路中的运算放大器有哪些特点和应用运算放大器是电路中应用广泛的一种电子器件，它具有许多特点和应用。
本文将介绍运算放大器的特点，并探讨其在电路中的各种应用。
一、特点1. 高增益：运算放大器的主要特点之一是具有较高的电压增益。
它能够将输入信号增加到一个较高的水平，以便于后续的处理和分析。
2. 宽频带宽：运算放大器的频带宽度较宽，能够处理较高频率的信号。
这使得它在许多应用中都能够提供精确和有效的放大功能。
3. 低噪声：运算放大器通常具有较低的噪声水平，这使得它在信号处理中非常有用。
低噪声的特性使得运算放大器能够提供更清晰和准确的信号放大。
4. 高输入阻抗和低输出阻抗：运算放大器的输入阻抗很高，可以减小对输入信号源的负载，保持传输信号的完整性。
同时，输出阻抗较低，能够驱动负载电路。
5. 可调节增益和偏置：运算放大器通常具有可调节的增益和偏置特性，这使得它在不同应用场景下能够灵活应对和满足需求。
二、应用1. 信号放大和滤波：运算放大器广泛应用于信号放大和滤波电路中。
通过调节放大器的增益和频率响应，可以实现对信号的放大和滤波功能，使得信号的频率范围和振幅得到控制和优化。
2. 模拟计算：运算放大器也常用于模拟计算电路中。
其高增益和精确性能使其成为模拟电路中一种重要的元器件，例如用于模拟加法、乘法、积分和微分等运算。
3. 电压比较和开关：运算放大器的高增益和灵敏度使其非常适合于电压比较和开关电路的应用。
通过将运算放大器配置为比较器或开关，可以实现对电压信号的比较和控制。
4. 反馈控制系统：运算放大器在反馈控制系统中起着至关重要的作用。
通过引入适当的反馈电路，可以实现对电路稳定性、增益和响应速度的控制。
5. 传感器信号处理：运算放大器还广泛应用于传感器信号处理中。
传感器常常输出微弱的信号，而运算放大器能够对这些信号进行放大和处理，以提高信号的灵敏度和稳定性。
6. 精密测量仪器：运算放大器也被广泛应用于精密测量仪器中。
集成运放的类型及应用
集成运放的类型及应用集成运放（即集成式运算放大器）是一种高增益、高输入阻抗以及低输出阻抗的电子放大器，广泛应用于电路设计和信号处理等领域。
下面将详细介绍集成运放的类型及应用。
1. 类型：目前，常见的集成运放有多种类型，包括普通运放、仪表运放、高速运放、低功耗运放等。
普通运放：普通运放是最常见的一种集成运放，具有宽带宽、高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它的主要应用领域包括信号放大、滤波、理想运算放大器电路设计等。
仪表运放：仪表运放是一种精密运放，具有高共模抑制比、低偏置电流和低噪声的特点。
它的主要应用领域包括电压、电流、温度等测量，以及精密仪器和设备的信号放大等。
高速运放：高速运放是一种具有高增益带宽积（GBW）和快速响应特性的运放，适用于高频信号处理和快速信号放大等应用。
它的主要应用领域包括通信系统、高速数据传输、高速采样和测量等。
低功耗运放：低功耗运放是针对低电源电压和低功耗要求而设计的集成运放。
它可以在低电源电压下正常工作，并具有低静态功耗和低失调电压的特点。
它的主要应用领域包括移动设备、便携式仪器和电池供电系统等。
2. 应用：集成运放作为一种重要的电子器件，在电路设计和信号处理等领域应用广泛。
下面列举一些常见的应用示例：信号放大：集成运放最常见的应用就是信号放大。
通过调整运放的增益，可以将微弱的传感器信号放大到适合后续处理的范围，如压力传感器、温度传感器等。
滤波器：集成运放可以被用来设计各种类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
滤波器的设计可以通过选择运放的反馈电阻和电容来实现。
运算放大器电路设计：运算放大器电路是运放最重要的应用之一。
基于运算放大器的电路可以实现加法、减法、乘法、除法、积分、微分等运算，并被广泛应用于模拟电路设计、自动控制系统等领域。
电压和电流测量：仪表运放常用于电压和电流测量。
通过仪表运放的高共模抑制比和低偏置电流特性，可以实现高精度和高稳定性的电压和电流测量。
运算放大电路应用
放大你的电路：运算放大器的应用运算放大器是一种关键的电路元件，它能够对电压、电流、信号幅度等进行放大，从而被广泛应用在各种电路中，包括电源电路、放大电路、信号处理电路等。
在本文中，我们将详细介绍运算放大器的原理和应用，以及如何正确使用和设计这一重要的电路元件。
首先，让我们来了解一下运算放大器的基本原理。
运算放大器是一种高增益放大器，具有三个重要的特性：高增益、高输入阻抗、低输出阻抗。
它的增益可以通过外接电阻调节，其输入阻抗非常大，输出阻抗非常低，因此它可以将输入信号的小改变放大到足以驱动负载。
运算放大器通常由一个差分放大器和一个输出级组成，其中差分放大器负责对差模信号进行放大，输出级则将放大后的差模信号变成单端信号，以驱动负载。
接下来，我们将介绍一些运算放大器在实际电路中的应用。
第一个应用是放大电路，可以通过运算放大器将小信号放大成足以驱动负载的信号。
比如在放大声音信号的场合，我们可以将麦克风的输出信号通过运算放大器放大后再送到扬声器中。
第二个应用是滤波电路，可以通过运算放大器实现低通、高通、带通、带阻等不同类型的滤波效果，以对信号进行处理。
第三个应用是模拟运算电路，可以通过运算放大器实现加减乘除、积分微分等基本算术运算，以对信号进行处理和运算。
当实际使用运算放大器时，我们需要注意一些细节，以保证其正确工作。
首先，我们需要选择合适的运算放大器芯片，以满足具体应用的要求。
其次，我们需要合理设置运算放大器的供电电压，保证其工作在合适的工作区间，避免过度放大和饱和失真等现象。
此外，我们还需要合理设计反馈电路和环路增益，以保证系统的稳定性和可靠性。
在本文中，我们介绍了运算放大器的原理和应用，以及如何正确使用和设计这一重要的电路元件。
通过了解和掌握运算放大器的相关知识，我们可以更好地应用它来实现各种电路功能，同时也可以避免因为使用不当而引起的电路故障和失效等问题。
高增益轨对轨运算放大器的设计实现
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ Ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｇａ ｉ ｎ Ｒａ ｉｌ — — ｔ ｏ — — ｒ ａ ｉ ｌ Ｏｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ Ａｍ ｐｌ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
运算放大器的应用实验报告
运算放大器的应用实验报告运算放大器的应用实验报告引言：运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种重要的电子元器件，具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。
它在现代电子电路中有着广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作和测量，探索运算放大器在不同电路中的应用，并验证其性能。
一、直流放大电路实验：1. 实验目的：通过搭建直流放大电路，观察运算放大器的放大效果，并测量其放大倍数。
2. 实验步骤：（1）搭建直流放大电路，将运算放大器的正、负输入端分别连接到输入信号源和地线。
（2）调节输入信号源的幅度，记录输出信号的幅度。
（3）改变输入信号的频率，观察输出信号的变化。
3. 实验结果和分析：通过实验数据的测量，我们得到了输入信号和输出信号的幅度数据，并计算了放大倍数。
结果显示，运算放大器能够将输入信号放大数倍，并且在一定频率范围内保持较好的线性放大特性。
二、反相放大电路实验：1. 实验目的：通过搭建反相放大电路，探索运算放大器的反相放大功能，并测量其放大倍数和频率响应。
2. 实验步骤：（1）搭建反相放大电路，将运算放大器的正输入端接地，负输入端连接到输入信号源。
（2）调节输入信号源的幅度，记录输出信号的幅度。
（3）改变输入信号的频率，观察输出信号的变化。
3. 实验结果和分析：实验数据显示，反相放大电路能够将输入信号进行反向放大，并且放大倍数与输入信号的幅度成反比。
此外，随着输入信号频率的增加，输出信号的幅度逐渐下降，表明运算放大器的频率响应存在一定的限制。
三、非反相放大电路实验：1. 实验目的：通过搭建非反相放大电路，研究运算放大器的非反相放大功能，并测量其放大倍数和频率响应。
2. 实验步骤：（1）搭建非反相放大电路，将运算放大器的正输入端连接到输入信号源，负输入端接地。
（2）调节输入信号源的幅度，记录输出信号的幅度。
（3）改变输入信号的频率，观察输出信号的变化。
3. 实验结果和分析：实验数据显示，非反相放大电路能够将输入信号进行非反向放大，并且放大倍数与输入信号的幅度成正比。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器探究与设计引言：随着科技的不息进步和应用的广泛推广，运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）作为一种重要的模拟电路器件，得到了广泛的关注和应用。
CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术由于其功耗低、集成度高等优势，被广泛应用于运算放大器的探究和设计中。
本文将介绍CMOS高性能运算放大器的探究与设计，主要包括运算放大器的基本原理、运算放大器的基本电路结构、CMOS技术的特点和优势、CMOS高性能运算放大器的设计方法和优化技术等方面。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种特殊的差动放大器，它能够实现电压放大、电流放大、功率放大等功能。
运算放大器有两个输入端，一个非反相输入端和一个反相输入端；有一个输出端和一个电源端，电源端一般有正电源和负电源两个。
在抱负状况下，运算放大器具有无限的增益、无限的输入阻抗和零的输出阻抗。
但实际状况下，由于运算放大器的内部结构等因素的限制，无法完全满足抱负的条件。
因此，在运算放大器的设计中，需要思量如何提高增益、输入阻抗和输出阻抗等性能指标。
二、运算放大器的基本电路结构运算放大器的基本电路结构由差动放大器、电压放大器和输出级组成。
差动放大器用于实现输入信号的差分放大，电压放大器用于实现信号的放大，输出级用于驱动负载电阻。
差动放大器由两个晶体管组成，一个晶体管作为非反相输入端，另一个晶体管作为反相输入端。
通过调整两个晶体管的尺寸比例，可以实现不同的放大倍数。
电压放大器由级联的共源放大器组成，通过逐级放大，实现信号的放大。
输出级由差分放大器和输出级筛选电路组成，通过差分放大器将信号转化为可驱动负载电阻的电流信号，再经过输出级筛选电路，将电流信号转化为电压信号。
三、CMOS技术的特点和优势CMOS技术是一种基于金属-氧化物-半导体（MOS）结构的半导体制造技术。
与传统的bipolar技术相比，CMOS技术具有以下特点和优势：（1）功耗低：CMOS电路在静态状态下几乎不消耗电流，功耗分外低，适合于低功耗应用的场合。
运算放大器应用电路的设计与制作
运算放大器应用电路的设计与制作(一） 运算放大器 1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反响电路时，可以灵敏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。
运算放大器一般由4个局部组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。
图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性局部。
如图2所示。
U -对应的端子为“-〞，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。
U +对应的端子为“＋〞，当输入U +单独由该端参加时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。
输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益〔开环电压放大倍数〕。
在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。
2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压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〞。
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汲取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的根本原那么，可简化运放电路的计算。
3. 运算放大器的应用 (1)比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。
(a) 反向比例电路反向比例电路如图3所示，输入信号参加反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放，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 ’＝R 1 // R F 。
运算放大器 应用场景
运算放大器应用场景运算放大器（Operational Amplifier，简称为Op Amp）是一种电子器件，被广泛应用于各种电路中。
它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，可用于信号放大、滤波、比较、积分、微分等各种运算。
本文将介绍运算放大器的应用场景，并探讨其在各个领域中的重要作用。
1. 音频放大器在音响系统中，运算放大器常被用作音频信号的放大器。
通过调整运算放大器的电路参数，可以实现音频信号的放大和音质的改善。
同时，运算放大器还可以实现音量控制、均衡调节等功能，使音响系统具备更好的音频性能。
2. 仪器测量运算放大器可以用于仪器测量中的信号放大和滤波。
例如，在温度测量中，传感器输出的微弱信号需要经过放大才能被测量仪器准确读取。
运算放大器的高增益和低噪声特性使其成为理想的信号放大器，在仪器测量领域得到广泛应用。
3. 控制系统运算放大器在控制系统中扮演着重要角色。
例如，在温度控制系统中，通过测量温度传感器输出的信号，经过运算放大器放大后，与设定温度进行比较，从而控制加热或制冷设备的工作状态。
运算放大器的高增益和高精度使得控制系统更加稳定和可靠。
4. 模拟计算机运算放大器广泛应用于模拟计算机中，用于模拟各种物理现象和过程。
例如，在模拟电路中，运算放大器可以模拟电压、电流、电阻等元件，实现各种电路的运算。
在仿真实验中，运算放大器可以模拟各种物理变量，帮助学生理解和掌握物理原理。
5. 信号处理运算放大器在信号处理中的应用非常广泛。
例如，在音频信号处理中，运算放大器可以实现音频信号的滤波、均衡、混音等功能。
在图像信号处理中，运算放大器可以实现图像的增强、滤波、边缘检测等功能。
运算放大器的高增益和高精度使其成为信号处理领域的重要工具。
6. 通信系统运算放大器在通信系统中也有重要应用。
例如，在调制解调器中，运算放大器可以实现信号的解调和解码。
在电视接收机中，运算放大器可以实现信号的放大和解调，使电视机能够接收到清晰的图像和声音。
高增益CMOS全差分运放的研究和设计
ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅ ｈａｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｃａｒｅ ｉｎ ｓｕｃｈ ａｓｐｅｃｔ ａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍａｔｅｒｉａｌ、ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ．
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｌｌ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏｗ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｏｍａｉｎｓ ｗｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｂｒｅａｋｏｕｔ．
１．３本文的工作以及文章组织
本文就是对工作在３Ｖ的运放放大电路进行研究，并分析各类 运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们 采用的是运算放大电路中的套筒式（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）结构。通过对其性 能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在７８ｄＢ， 功耗只有ｌ ５ｒｏＷ的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求， 最后在ＣＡＤＥＮＣＥ上画出版图。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参 数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处 理办法。
电路基础原理运算放大器的特性与应用
电路基础原理运算放大器的特性与应用电路基础原理是电子工程的基础，其中运算放大器是一个重要的组成部分。
在本文中，我们将探讨运算放大器的特性以及其在电子工程中的应用。
首先，让我们了解一下什么是运算放大器。
它是一种具有极高开环增益的放大器，内部由多个晶体管和电阻构成。
运算放大器被广泛应用于信号放大、滤波、积分、微分和比较等电路中。
运算放大器具有以下几个主要特性。
1. 高增益：运算放大器具有极高的开环增益，通常为10^5至10^6之间。
这使得它能够放大微弱的输入信号，并产生更大的输出信号。
2. 高输入阻抗：运算放大器的输入阻抗非常高，通常为几十兆欧姆。
这意味着输入信号的源能够提供的电流非常小，从而减小了对外部电路的负载影响。
3. 低输出阻抗：运算放大器的输出阻抗非常低，通常为几十欧姆。
这使得它能够提供足够的电流给外部电路，从而保持输出信号的稳定性。
4. 可逆反相输出：运算放大器可以产生与输入信号反相的输出信号。
这对许多电路设计非常有用，例如比较电路和振荡电路。
在电子工程中，运算放大器具有广泛的应用。
1. 信号放大：运算放大器可以将微弱的输入信号放大到合适的水平，以便进行后续处理或驱动其他电路。
2. 滤波：运算放大器可以结合电容器和电阻器构成滤波电路，用于消除噪声或选择特定频率的信号。
3. 积分器与微分器：运算放大器可以与电容器和电阻器结合，构成积分器和微分器电路。
积分器可以对输入信号进行加法运算，而微分器可以对输入信号进行微分运算。
4. 比较器：运算放大器可以用作比较器，将输入信号与参考电压进行比较，并输出高电平或低电平的信号。
除此之外，运算放大器还可以用于振荡器、振幅调制解调器、发生器、音频放大器等电子电路中。
它在电子工程领域的应用非常广泛且多样化。
最后，需要提醒大家的是，运算放大器在应用时需要注意一些问题。
例如，输入与输出的电压范围、共模抑制比、失调电流和失调电压等因素都需要进行合理的设计和调整，以确保运算放大器的性能和稳定性。
高增益跨导性运算放大器设计
10212020059 赵琦
摘要 运算放大器作为模拟集成电路设计的基础，同时作为日后 DAC 校 准电路中的一部分，本次设计一个高增益全差分跨导型运算放大器。 电路采用两级结构，输入级采用折叠共源共栅，第二级采用电流源负 载单管放大器。通过电阻电容来调节零极点间的相对位置，进行频率 补偿，来保证系统有良好的频率特性。共模反馈电路保证电路工作点 稳定。采用 SMIC 0.13um 工艺。仿真结果显示，该全差分高增益跨导 型运算放大器共模输入范围为 0.6V，输出共模范围为 0.6V，在负载 300fF 时，GBW 为 750M，直流增益为 79dB。 一、 设计指标
GBW
gm
g m1、 2 2 Cc
2I Vgs Vth
其中补偿电容粗略估算，留有余量取 300fF。 Vgs Vth 取 0.2V。可以粗
略估算 I 为 120uA，本设计中取为 150uA。 通过简单 miller 补偿，主极点
P 1
C 为 miller 补偿电容， 次级点
表 1 设计指标
电源电压 输入共模 输出共模 直流增益 GBW 输出负载
1.2V 0.6V 0.6V 60dB 700M 300fF
二、 体系结构 考虑到在 1.2V 电源电压下，输入共模电压为 0.6V，因此本文选用 折叠共源共栅结构，差分输入对保证了电路有较好的共模抑制。第二
级采用了电流源负载的单管放大器。电阻 R2 和电容 C 用来调节零极 点的位置进行频率补偿，以保证系统的稳定性。基本原理是增加一个 左半平面 (LHP) 零点来抵消次级点对相位的影响， 同时会把主极点推 向原点。最左边部分是共模反馈电路。
50 0 -50
-100 0 10
运算放大器原理及应用
集成运算放大器将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。
随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。
按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI) ，中规模集成电路(简称MSI), 大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。
运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。
集成运放的应用是重点要掌握的内容，此外，本章也介绍集成运放的主要技术指标，性能特点与选择方法。
一、集成运算放大器简介1. 集成运放的结构与符号1. 结构集成运放一般由4部分组成，结构如图1所示。
图1 集成运放结构方框图其中：输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。
中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。
输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。
偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。
2. 特点：142○1 硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。
○2 运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。
○3 电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个 ○4 用有源元件代替大阻值的电阻 ○5 常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好 3. 集成运放的符号从运放的结构可知，运放具有两个输入端v P 和v N 和一个输出端v O ，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。
一种具有高增益和超带宽的全差分跨导运算放大器
0中国集成电路设计♦China lntegrated Circult一种具有高增益和超带宽的全差分跨导运算放大器罗杨贵1,曾以成1,邓欢2,唐金波21.湘潭大学物理与光电工程学院；2.湖南毂梁微电子有限公司摘要：基于GSMC0.18um CM OS工艺，设计了一种应用于12位ADC的全差分运算放大器。
为了提高增益,在套筒式共源共栅结构上运用了增益提高技术。
为了提高输入跨导，采用隔离效果更好的深N阱CMOS作为输入端，从而提升增益带宽。
为了降低功耗，利用单端放大器作为辅助运放。
整体电路结构简单优化。
仿真结果表明，运算放大器直流开环增益大于100dB，单位增益带宽大于800M H z,相位裕度大于70毅,完全满足目标ADC的性能要求，是一种新型且质量较高的运放，也可应用于其它场合。
关键词：增益提高；套筒式共源共栅；高增益带宽;深N阱中图分类号:TN432文献标识码:AA Fully Differential Transconductance Operational Amplifierwith high Gain and ultra GBWLUO Yang-gui,ZENG YirCheng1,DENG Huan2,TANG Jn-bo21.SchoolofPhysicsand Opibe]ectronics,X iangtan University;2.H unan Greai-Leo M icroe]ectronicsCO.LTDAbstract:Based on theGM SC0.18um CM OS process,a fuUy differentialoperationalam plifierlbr12-bitADC is designed.In orderto increase the gain,a gain-enhancing technique is used on the te]escopic cascode structure.In order to increase input transconductance,the deep N-W elltansistorwith better isolation function was used as the input,thereby to enhance the gain bandwidth.In order to reduce power consumption,a single-ended amplifier is used as an auxiliary operational amplifier.The overall circuit structure is simple and optimized.The simulation results show that the operational amplifier DC open-loop gain is greater than100dB,the unity gain bandwidth is greater than800MHz, and the phase margin is greater than70毅,which fully meets the performance requirements of ADC.It is a new and high-quality operational amplifier that can also be applied to other applications.Keywords:Gain enhancement;Telescopic cascode;High gain bandwidth;Deep N_well0引言模数转换器作为连接模拟信号与数字信号的桥梁，越来越显示出其重要性。
高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计
高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计1 引言运放是电子工程学科中最常用的基础电路元件之一。
其主要功能是接收输入信号，经过处理后输出一个信号，这可以是电压、电流、复合信号等不同形式的信号。
高增益恒跨导低失调轨至轨运放是一种广泛应用的运放类型，其优点包括高增益、宽带宽、低失调和能够处理大量信号等等。
本文将介绍高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的基本原理和设计方法。
2 关键设计参数高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计需要考虑一系列关键参数。
这些参数包括放大器的增益、带宽、失调、输入阻抗、输出阻抗等等。
下面将分别介绍这些关键参数。
2.1 增益放大器的增益通常是设计时需要优化的主要参数之一。
在高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计中，增益主要取决于差分对输入和不同的反馈电路。
因此，设计者需要选用适当的反馈结构和电容来达成所需的增益。
2.2 带宽高增益恒跨导低失调轨至轨运放的带宽通常被设计为大于几百Mhz，这是因为其应用涉及高速信号处理和光纤通信业等领域。
带宽取决于放大器的极点，因此，在设计时需要确保放大器的布局和电气特性能够支持所选的带宽，以避免输出失真和衰减。
2.3 失调失调是指差分输入信号被误差放大，产生输出偏移的情况。
失调可由差分对的非对称性引起，因此，设计时需要确保差分对的匹配性，以减小失调。
2.4 输入阻抗放大器的输入阻抗取决于前级电阻和差分对的电阻。
输入阻抗影响放大器的干扰抗性和电路的灵敏度。
设计时需要选择合适的前级电阻和差分对的电阻，以实现所需的输入阻抗。
2.5 输出阻抗放大器的输出阻抗通常很低，这是因为高输出阻抗可能会导致信号变形。
输出阻抗与两级输出级的负载电阻有关。
设计时需要选择合适的负载电阻和输出级的电路结构，以实现所需的输出阻抗。
3 设计方法高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计方法包括：3.1 选择运放类型选择合适的高增益恒跨导低失调轨至轨运放类型取决于应用需求。
常用的类型包括单放大器、差动放大器和多级放大器等。
一种运算放大器电路设计
一种运算放大器电路设计如何设计一种运算放大器电路。
一、简介运算放大器（operational amplifier，简称Op-Amp）是一种高增益、直流耦合的差分放大器电路。
它是现代电子设备中的关键组件，被广泛应用于信号放大、滤波、波形整形、模拟运算等领域。
本文将针对一种运算放大器电路的设计进行详细介绍和解析。
二、电路要求我们需要设计一种运算放大器电路，满足以下要求：1. 输入电压范围：±10V2. 增益：1000V/V3. 输入电阻：1MΩ4. 输出电阻：100Ω三、电路设计步骤1. 选择适当的运放芯片根据设计要求，我们需要选择一个适用的运放芯片。
常见的运放芯片有LM741、TL071等。
由于输入电压范围较大，我们选择TL071芯片。
2. 输入电路设计根据要求，输入电路的输入电阻应为1MΩ。
为了满足这一要求，我们以非反相输入端为例，设计一个基准电位器电路。
将电位器连接到非反相输入端，电位器两端接地，调节电位器的滑动片位置，使得输入电阻等于1MΩ。
3. 反相输入端接地运放电路的反相输入端非常接近地电位，即大部分情况下可以视作接地。
因此，将反相输入端接地的设计可以简化电路结构，提高整体稳定性。
4. 反馈电阻设计根据增益的要求，我们可以选择一个合适的反馈电阻。
根据运放的运算放大性质，我们可以利用反馈电阻来控制放大倍数。
根据增益公式A = -Rf/R1，我们可以选择Rf=100kΩ，R1=100Ω。
5. 输出电阻设计根据要求，输出电阻应为100Ω。
由于运放的输出电阻较小，一般远小于要求的输出电阻，因此无需特别设计输出电阻。
6. 供电电源设计运算放大器的工作电源一般为双极性直流电源。
根据芯片规格书，我们可以选择±12V的双极电源供电。
7. 连接线和电源线的布线一般情况下，要求输入电缆、反馈电缆和功率电缆分开布线，以避免相互干扰。
四、测试与验证完成电路设计后，我们需要进行测试和验证。
首先，我们可以将输入信号接入电路，观察输出信号的放大倍数是否符合设计要求。
运算放大器在实际中的应用
运算放大器在实际中的应用运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的集成电路，广泛应用于各种电子设备和系统中。
它可以对电压、电流和功率进行放大、滤波、求和、积分、微分等运算，是现代电子技术中不可或缺的关键元件之一。
本文将从不同领域的实际应用中，介绍运算放大器的重要作用。
一、信号放大与测量运算放大器最常见的应用就是作为信号放大器。
在测量领域中，运算放大器可以将微弱的信号放大到足够的幅度，以便被后续的电路或仪器进行处理和分析。
例如，在传感器信号采集中，运算放大器可以将传感器输出的微弱电压信号放大到可测量的范围，提高系统的灵敏度和测量精度。
二、滤波器运算放大器还可以用于构建各种滤波器电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器可以滤除不需要的频率成分，提高信号的质量和可靠性。
在音频领域，运算放大器被广泛应用于音频放大器、音频滤波器和音频调节器等电路中，使音乐和语音信号更加纯净和清晰。
三、比较器运算放大器还可以作为比较器使用，用于比较两个输入信号的大小。
当一个输入信号的电压高于另一个输入信号时，输出信号为高电平；反之，输出信号为低电平。
比较器常用于电压判别、开关控制、电路保护等应用中。
例如，在电源管理中，运算放大器可以监测电池电压，当电池电压过低时，触发报警或切断电路以保护电池和设备。
四、积分与微分运算运算放大器还可以实现积分和微分运算。
通过将电容和电阻与运算放大器相结合，可以构建积分器和微分器等电路。
在控制系统中，积分器可以用于控制系统的稳定性和抑制噪声；微分器可以用于快速响应和抑制低频干扰。
例如，在自动控制系统中，运算放大器可以作为PID控制器的核心部件，实现对温度、湿度、速度等参数的精确控制。
五、运算放大器的反馈电路运算放大器的反馈电路是其应用中的重要组成部分。
通过巧妙地构建反馈电路，可以改变运算放大器的增益、频率响应和稳定性等特性。
高速运算放大器LM318N应用简介
高速运算放大器LM318N应用简介
杨世清
【期刊名称】《集成电路应用》
【年(卷),期】1993(000)005
【摘要】在核电子测量(如强度测量及能谱分析)中,常常需要对探测器输出的脉冲进行放大并整形,以满足电路检测需要。
由于探测器输出的脉冲宽度很窄(一般在us 数量级),经普通运算放大器放大后,会使脉冲宽度变宽,脉冲上升及下降时间变长,不能形成规则的方波脉冲,而是不规则的梯形波。
当每秒钟的脉冲数变高时,有可能引起脉冲相互重叠,在相互靠近的脉冲经放大器后变成一个幅度较大的脉冲,从而带来测量误差。
使用高速运算放大器则可避免脉冲畸变,输出相同宽度的方波脉冲。
【总页数】1页(P19)
【作者】杨世清
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.77
【相关文献】
1.高速高增益运算放大器的设计及应用 [J], 朱颖;何乐年;严晓浪
2.针对高速应用的电流反馈运算放大器 [J], Loren;Siebert
3.高速全差分运算放大器再高速数据采集系统中的应用 [J], 王彦彬;田树林;叶芃
4.集成运算放大器的特性及其在音频广大器中的应用(六)——高速运算放大器
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5.高速运算放大器新技术──电流反馈运算放大器 [J], 龙弟光;刘先锋;冯兆兰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言运算放大器（OpAmp）在各种电子设备中起着关键作用，尤其在信号处理和数据分析中。
随着科技的发展，对运算放大器的性能要求也越来越高。
CMOS（互补金属氧化物半导体）技术因其低功耗、高集成度等优点，在高性能运算放大器的设计中得到了广泛应用。
本文将探讨CMOS高性能运算放大器的研究与设计。
二、CMOS运算放大器的基本原理CMOS运算放大器主要由差分输入对、电流镜、输出级等部分组成。
其基本原理是通过差分输入对接收输入信号，利用电流镜进行电流放大，最后由输出级输出放大的信号。
CMOS技术由于其特殊的结构，能够提供较高的增益、低噪声以及优秀的线性度。
三、CMOS高性能运算放大器的设计要求设计高性能的CMOS运算放大器，需要满足以下几个要求：1. 高增益：保证信号在传输过程中的损失最小。
2. 低噪声：减小信号的干扰，提高信噪比。
3. 高线性度：保证信号在放大过程中不失真。
4. 低功耗：在保证性能的同时，尽量降低功耗。
5. 高集成度：适应现代电子设备小型化的趋势。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法1. 差分输入对的设计：选择合适的晶体管尺寸和偏置电流，以提高输入差分对的跨导和带宽。
2. 电流镜的设计：采用电流镜结构，以实现电流的精确复制和放大。
3. 输出级的设计：选择合适的负载电容和输出级晶体管，以提高输出驱动能力和带宽。
4. 电路的优化：通过调整电路的偏置电压和反馈网络，优化电路的性能。
五、CMOS高性能运算放大器的实现与测试根据上述设计要求和方法，我们设计了一款CMOS高性能运算放大器。
通过仿真和实际测试，该放大器具有高增益、低噪声、高线性度等特点，且功耗较低，符合设计要求。
此外，我们还对该放大器进行了长期稳定性的测试，证明了其良好的可靠性和稳定性。
六、结论本文对CMOS高性能运算放大器的研究与设计进行了探讨。
通过了解其基本原理、设计要求、设计方法以及实现与测试，我们可以看到CMOS技术在高性能运算放大器设计中的优势。
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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）ᐢገǖ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。
ਈࠤǖ运算放大器；高增益；高速ᒦᅄॊಢǖTN401 ᆪማܪဤ൩ǖA1 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* ၃ষ྇໐ǖ2005-01-25 ኀࢿ྇໐：2005-07-03只在大信号时工作，小信号时不起作用，因此对运放的精度不会造成影响，具体将在3.2.2中论述。
另外为了加大输出摆幅，增加了一级增益接近于1的线性输入/输出特性电路，通过降低高增益运放输入端的共模电平来达到这个目的，具体将在3.4中论述。
3 设计及改进3.1 运放增益及补偿增益提高运放通过负反馈提高输出阻抗从而提高运放增益，简化图如图2所示。
输出阻抗：add o m out A r r g R 0212= （1） 其中，A add 表示辅助运放的直流增益。
可以看出，输出电阻提高了A add 倍。
同理，增益提高运放的直流电压增益：out m add o m m dc R g A r r g g A 102121== （2） 也提高了A add 倍。
辅助运放的存在使得运放增加了一对很接近的零极点对，它们位于辅助运放的单位带宽增益（add ω）附近[2]。
假设零极点对所对应的频率（PZ ω）高于闭环运放的主极点（t βω），其中t β是负反馈系数，t ω是开环运放的单位增益带宽，即：t add βωω> （3） 则零极点对的存在对运放的频响特性没有影响[3]。
另外，从图2可知，M 2的源极是主运放的次主极点（2P ω）[2]，M 2的栅极即辅助运放的输出端是辅助运放的主极点。
出于稳定性考虑，辅助运放的单位增益带宽需小于主运放的次主极点，即： 2P add ωω< （4）结合式（3）和（4）给出辅助运放单位增益带宽的稳定工作范围：2P add t ωωβω<< （5）图3给出图1(a)所示高增益运放和主运放（共源共栅运放）的增益和带宽的比较，其中可见零极点对的存在。
图 2 共源共栅级中增益的提高图3 高增益运放和共源共栅主运放增益和相位的比较图(a) 常规高增益运放 (b) 改进后的高增益运放图1 常规高增益运放和改进后的高增益运放第2期 朱颖等：高速高增益运算放大器的设计及应用 33运放稳定工作要求零极点对满足方程（5），如果不满足，那么为了消除或者减弱零极点对的影响，必须对运放进行补偿。
其中比较简便的方法就是在辅助运放输出端增加补偿电容，如图1(b)所示。
增加补偿电容的目的就是使零点和极点尽可能的接近甚至对消。
仿真表明补偿电容值为50fF 时补偿效果最佳，图4给出了补偿前和补偿后的增益和带宽的波特图，可以看出，补偿后零极点效应已基本消除。
本仿真基于高增益运放，不包含线性输入/输出电路。
3.2 建立时间3.2.1 补偿电容对建立时间的影响如图9所示，运放的反馈系数为1/3，相当于增益为2的反相放大器，该运放包含了线性输入输出电路，等效的电容负载约为1pF 。
理论上说，当V in 2稳定在共模电压1.65V ，V in 1从2.1V 跳变到1.2V 时，V out 1从1.2V 跳变到2.1V ，而相应的V out 2从2.1V 跳变到1.2V 。
差分输出V out 1-V out 2就从-0.9V 跳变到+0.9V 。
也就是说，单端输入从2.1V 跳变到1.2V 时，差分输出应该有一个1.8V 的跳变，本文中为了绘图方便，将差分输出-0.9V 处平移至零点。
图5给出了补偿前和补偿后的差分输出，补偿后输出特性明显好于补偿前的输出特性。
由于零极点对的存在，补偿前运放的阶跃响应出现了小的减幅震荡现象。
补偿后减弱甚至消除了零极点对的影响，运放的频响特性接近于单极点运放，建立时间大大减少。
从图5中可得，补偿后，只需9ns 即可得到1%的精度，12.2ns 时就可以得到1.79912V 的值（如图5中所示），也就是说12.2ns 时，精度达到0.1%，转换速率达到200V/μs ，完全满足原先的设定。
3.2.2 钳位管对建立时间的影响当运放输入端输入为大信号时，辅助放大器中可能存在需要很长时间才能回复到稳定态的晶体管。
为了减轻这个问题，增加了两个钳位管，具体分析以A ddp 为例。
A ddp 是双端输出的折叠式共源共栅放大器。
如图6所示（表示正阶跃时电路的等效电路）。
如果I p >I add ，则差分输出的转换速率等于I add /C 。
如果I p <I add ，则转换期间M 33关断，V Y 下降到一个低电平，使得M 25和尾电流进入线性区。
因此，在另一个输入管导通之后，电路要回到平衡态，V Y 需要经历很大的摆幅，减慢了稳定过程。
负阶跃和A ddn 的特性也与此类似。
仿真对有无钳位管的运放进行比较。
同 3.2.1所述，单端输入0.9V 的跳变，t =10ns 时，带钳位管的运放差分输出跳变到1.798V ，无钳位管的运放差分输出跳变到1.796V 。
表明带钳位管的运放具有更小的建立时间，结果更加稳定。
输入差分值越大，带钳位管运放的优点越明显。
3.3 电容共模负反馈高性能的运放放大器都需要共模反馈电路。
用它来稳定微小失调引起运放工作点的偏移。
因为电阻检测输出共模电压会限制运放的输出摆幅，降低运放的输出阻抗[4]，所以采用电容共模反馈避免这图4 补偿前和补偿后的增益和相位的波特图图 5 补偿前和补偿后的时间响应34 电路与系统学报 第13卷两个缺点，如图7所示。
其中V ref 表示运放理想的共模输出电平（这里是1.65V ），V bias 1是运放尾电流源M 10在理想共模状态下的栅压值，V out 1和V out 2是运放实际的输出电压，V cm 是实际加到运放电流源M 10的栅压值。
工作原理如下：S 1和S 2由两相互不交叠的时钟构成。
当S 1闭合，S 2打开，C 1端保存C 1（V ref -V bias 1）的电荷，当S 2闭合，S 1打开，电荷在C 1和4C 1之间进行重新分配。
计算可得：1212)(bias ref out out cm V -V /V V V ++= （6）由此可以看出，如果V out 1和V out 2的共模值发生变化，大于理想的共模值V ref ，则V cm 增大，把V out 1和V out 2拉低，直到V out 1和V out 2重新处于V ref 回到平衡状态。
相反，如果V out 1和V ou t2的共模值小于理想值，则V cm 减小，V out 1和V out 2增大，直至输出共模电平重新稳定在V ref 。
其实质就是运用负反馈，改变运放尾电流的栅压值，达到稳定运放输出共模电平，稳定工作点的目的。
3.4 线性输入/输出特性的电路如图8所示，v b 1~v b 3指的是偏置电压，电压增益：3,41,2)/()/(L W L W A v = （7）其目的是通过降低高增益运放输入端的共模电平来增大输出摆幅，满足输出摆幅±0.8V 的设计要求。
下表对有无线性输入/输出电路的高增益运放进行对比分析。
结果表明，带线性输入/输出电路的高增益运放增益略有提高，带宽大大加大，相位裕度减少，功耗增大。
总的来说，除了功耗略有增加外，线性输入/输出电路大大改善了运放高速高精度性能。
4 应用如图9所示，V in 1和V in 2是被采样信号，V dc 表示共模输入电平，由带隙电压源提供（这里是1.65V ）。
考虑一个时钟周期内电路的工作情况，当S 1和S 2闭合，S 3和S 4打开，运放处于采样状态同时泄放掉上一个时钟周期内存储在电容C 上的电荷。