5运算放大器及频率补偿分解
模电实验报告五 运算放大器
模拟电子技术实验报告第（5 ）次实验实验名称：_运算放大器专业班级：自动化姓名：学号：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Aud=∞输入阻抗ri=∞输出阻抗ro=0带宽fBW=∞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征：1、输出电压uo与输入电压之间满足关系式子uo=Aud(u+—u-)由于Aud=∞，而uo为有限值，因此，u+—u-≈0,。
即u+≈u-，称为“虚短”。
2、由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB=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4-1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R2=R1//RF（2）反相加法电路电路如图4-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为（3）同相比例运算电路图4-3（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（4）差动放大电路（减法器）对于图4-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式（5）积分运算电路反相积分电路如图4-5所示。
在理想化条件下，输出电压uo等于式中uc(o) 是t=0 时刻电容C 两端的电压值，即初始值。
运算放大器构造及原理
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点击进入万联芯城点击进入万联芯城运算放大器的工作原理放大器的作用： 1、能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。
用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
原理:高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。
按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，运算放大器原理运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
图1-1 通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。
运算放大器的相位补偿
运算放大器的相位补偿
运算放大器的相位补偿是一种技术，用于调整运算放大器的频率响应，以获得所需的频率特性。
相位补偿可以通过以下几种方法实现：
1.超前补偿：通过在运算放大器的反馈回路中加入超前补偿网络，可以减小相位滞后，提高电路的稳定性。
超前补偿网络通常由电阻和电容组成，可以调整电阻和电容的值，以获得所需的频率特性。
2.滞后补偿：通过在运算放大器的反馈回路中加入滞后补偿网络，可以增大相位滞后，从而降低电路的增益，提高电路的稳定性。
滞后补偿网络通常由电阻和电容组成，可以调整电阻和电容的值，以获得所需的频率特性。
3.超前-滞后补偿：通过在运算放大器的反馈回路中同时加入超前补偿网络和滞后补偿网络，可以同时调整相位超前和相位滞后，以获得更好的频率特性。
超前-滞后补偿通常用于复杂的应用场景，需要仔细调整各个参数。
在进行相位补偿时，需要注意以下几点：
1.补偿网络的元件值需要精确匹配，以确保获得所需的频率特性。
2.补偿网络的连接方式需要正确，以避免对电路造成不良影响。
3.补偿网络的位置需要合理选择，以确保对电路的频率响应进行有效的调整。
总之，相位补偿是运算放大器设计中非常重要的技术之一，可以有效地调整电路的频率响应，以获得所需的频率特性。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景选择合适的补偿方法，并进行仔细的参数调整。
集成运算放大器的内部结构
集成运算放大器的内部结构集成运算放大器（简称运放）是一种高精度的放大器，广泛应用于各种电子系统中，如音频放大、模拟信号处理、数字信号处理等。
运放的内部结构主要由以下几个部分组成：1. 差分放大器差分放大器是运放的核心部分，它能够抑制零点漂移，提高放大器的精度和稳定性。
差分放大器由两个对称的放大器组成，输入信号加在两个放大器的输入端，输出信号由两个放大器的输出端合成。
2. 输入电阻输入电阻是运放的一个重要参数，它能够决定输入信号的电压衰减程度。
一般来说，输入电阻越大，输入信号的电压衰减越小，运放的放大效果就越好。
3. 输出电阻输出电阻是指运放的输出端的电阻，它能够决定输出信号的电流衰减程度。
一般来说，输出电阻越小，输出信号的电流衰减越小，运放的放大效果就越好。
4. 偏置电路偏置电路是运放的重要组成部分，它能够为差分放大器提供静态偏置电流，以保证差分放大器的对称性和稳定性。
5. 增益调整器增益调整器是运放的一个辅助部分，它能够为运放提供增益调整功能，以满足不同应用场景下的放大需求。
增益调整器一般由可变电阻和电位器组成。
6. 负反馈网络负反馈网络是运放中决定放大器性能的重要部分，它能够抑制放大器的非线性失真和噪声，提高放大器的稳定性。
负反馈网络一般由电阻、电容等元件组成。
7. 频率补偿电路频率补偿电路是运放中保证放大器性能的重要部分，它能够为放大器提供频率补偿，以防止高频信号的失真和振荡。
频率补偿电路一般由电阻、电容、电感等元件组成。
8. 电压跟随器电压跟随器是运放中的一个缓冲部分，它能够为输出信号提供低阻抗输出，以减小输出阻抗对信号的影响。
电压跟随器一般由运算放大器组成。
9. 电流放大器电流放大器是运放中另一个重要的组成部分它能够将差分放大器的输出电流转换成单端电流或者进行电流/电压转换以获得更高的电压增益以上就是集成运算放大器的内部结构。
运算放大器反馈讲解PPT课件
不同类型的运算放大器具有不同的特 点和应用领域，如低噪声、高精度、 高速等。
运算放大器的基本参数
开环增益
带宽增益乘积
输入阻抗
输出阻抗
表示运算放大器在没有反馈 时的放大倍数，是衡量运算 放大器性能的重要参数。
表示运算放大器的带宽和增 益的乘积，是衡量运算放大 器频率特性的重要参数。
表示运算放大器输入端的电 阻抗，是衡量运算放大器输
类型
正反馈和负反馈。正反馈是指反馈信号使净输入信号增强的 反馈，而负反馈是指反馈信号使净输入信号减弱的反馈。
负反馈对运算放大器性能的影响
提高放大倍数的稳定性
负反馈通过引入一个与输入信号相反 的信号，减小了放大倍数的变化，提 高了放大倍数的稳定性。
减小非线性失真
负反馈可以减小放大器内部的非线性 效应，从而减小输出信号的非线性失 真。
正弦波、方波、三角波等是常见 的振荡器输出波形，根据需求选 择合适的反馈网络和电源电压。
振荡器的稳定性、频率调节范围 和波形质量是关键性能指标，可 以通过优化电路参数和采用有源
元件提高性能。
PART 05
运算放大器反馈的注意事 项与挑战
REPORTING
WENKU DESIGN
避免振荡与不稳定
负反馈
定义与工作原理
定义
运算放大器是一种具有高放大倍 数的集成电路，能够实现信号的 放大、运算、滤波等多种功能。
工作原理
运算放大器由差分输入级、放大 级和输出级三部分组成，通过正 反馈和负反馈的结合，实现信号 的放大和运算。
运算放大器的分类与特点
分类
根据不同的分类标准，运算放大器可 以分为多种类型，如电压反馈型和电 流反馈型、单电源型和双电源型等。
运算放大器的频率补偿
消除右半平面零点
方法1：消除零点 方法2：ω Z为负零点，与ωp2抵消
二级运放设计实例（optional）
约束条件
电源电压 设计描述
工艺
小信号增益
温度
频率响应，增 益带宽积GB
相位裕度PM
输入共模范围 （ICMR）
输出摆幅
转换速率
功耗
负载电容CL
特别注意一个结论，如下图所示，单位增益带宽即为第 一非主极点,此时的相位裕度为45˚。
第一非主极点、单位增益带宽、相位裕度的关系？
2019/10/17
频率补偿
22
PM的设计(补充材料）
设单位增益带宽GBW,极点fp1、fp2….fN 频率补偿
设极点fp3….fN远大于单位增益带宽GBW
上式两边求模就可得到在ω＝ω1时系统闭环增益的
幅值：
Y X
( j1)
1 exp( jFA) F 1 exp( jFA)
1 F
exp( jFA) 1 exp( jFA)
稳定相位裕度
由于在深度反馈时系统在低频时的闭环增益为 |Y/X|≈1/F，所以有：
Y X
(
j1)
Y exp( jFA) X 1 exp( jFA)
相位裕度
稳定的边缘情况 例如，在GX处，相位=-175°
得到
Y X
(
j1
)
1
A( j1) FA( j1
)
Y X
(
j1 )
11.5 F
相位裕度（PM）：定义为
PM=180°+∠FA(ω= ω1) 其中， ω1为增益交点频率（单位 增益带宽。
运算放大器的主要参数
温度范围 4
根据应用环境温度范围， 选择具有相应工作温度范 围的运算放大器。
功耗
2
根据应用对功耗的要求，
选择低功耗或高效率的运
算放大器。
封装和引脚配置 3 根据PCB设计和空间要求，
选择合适的封装和引脚配 置的运算放大器。
评估与测试方法
性能参数测试
使用测试设备对运算放大器的带 宽、增益、噪声等性能参数进行 测试和验证。
运算放大器在没有反馈时 的电压放大倍数。
STEP 03
提高方法
选用高开环增益的运算放 大器、采用负反馈电路来 提高闭环增益的稳定性。
Avo决定了运算放大器的放大 能力和精度，是评价运算放大 器性能的重要指标之一。
带宽BW
定义
运算放大器能够正常工作的频率范围。
影响
BW限制了运算放大器处理信号的能力，如果信号频率超过BW， 则运算放大器的输出将产生失真。
宽电源电压范围
为了适应不同电源电压的应用需 求，一些运算放大器具有宽电源 电压范围，可以在较宽的电源电 压范围内正常工作。
负载条件对参数的影响
输出阻抗
01
运算放大器的输出阻抗会影响其与负载之间的匹配程度，进而
影响输出电压和功率传输效率。
负载能力
02
运算放大器的负载能力指其能够驱动的最大负载电流和电压，
运算放大器主要参数的重要性
带宽
决定了放大器能够处理的信号频率范围， 影响信号的放大效果和失真程度。
输出阻抗
影响放大器与负载之间的匹配程度， 决定信号的传输效率和负载能力。
输入阻抗
影响信号源与放大器之间的匹配程度， 决定信号传输的效率和稳定性。
噪声系数
5_第五讲_运算放大器及频率补偿分析
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第五讲 运算放大器及频率补偿
1
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
能否级联比两级更多的级数来获得更高的增益？
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
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：VDD -(VOD3 +VOD5 + VOD7 + VOD9 )
声和失调较大
5、噪声与失调 确定了能被处理的最小信号电平。
电流不变，过驱动电压降低 以提高输出摆幅，跨导增加， 漏电流噪声增加。
5
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。
5.2 单级运放
前面研究的全部差动放大器均称 为运放。 注意两个 电路极点 区别
镜像 极点
简单运放结构
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
在运放的整体设计中需对各参数进 行折衷考虑。
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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（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。
Av ? ? gm1{[( gm3 ? gmb3 )ro3 (ro1 || ro5 )]||[( g m7 ? g mb7 )ro7ro9 ]}
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 (gm3 ? g mb3 )
与C x 乘积
NMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
VOUT最大值： VDD-2V OD
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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！
15
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。
2
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。
3
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。
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。
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：
模拟CMOS集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第五讲 运算放大器及频率补偿
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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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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
小于阈值电压
8
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
? 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。
? 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
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
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。
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
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。
5
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
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 )
A ? AV 1 AV 2
总增益与共源共栅结构相当
单边输出摆幅为：
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 )
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：
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。
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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：VDD -(VOD3+VOD5 + VOD7 + VOD9 )
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。
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。
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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 —
（2V OD+Vth ）
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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。
能否级联比两级更多的级数来获得更高的增益？