运算放大器设计与仿真-安超群

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运算放大器的VHDL-AMS模型和仿真研究

运算放大器的VHDL-AMS模型和仿真研究
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奏华标 王 飞
华 南 理 工 大学 电 子 与 信 息 学 院 (广 州 5l 0J 1 4 摘要 : VHDLAM S语 言 为模 拟 和 混 合信 号 系统 设 计 提 供 了 统 一 的 建 模 和 仿 真 方 法 , 为 模 拟 电路 中 最 为 . 作
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运 算 放 大 器 的 V L M —A S模 型 和 仿 真 研 究 H D
Mo ei ga d S mu ai n o d l n i l to fOpe ai n l n r to a Amp i e s do lf r i Ba e n VHDL -AMS

EDA设计实验二 负反馈放大器设计与仿真

EDA设计实验二 负反馈放大器设计与仿真

实验二负反馈放大器设计与仿真1.实验目的(1)熟悉两级放大电路设计方法。

(2)掌握在放大电路中引入负反馈的方法。

(3)掌握放大器性能指标的测量方法。

(4)加深理解负反馈对电路性能的影响(5)进一步熟悉利用Multisim仿真软件辅助电路设计的过程。

2.实验要求1)设计一个阻容耦合两极电压放大电路,要求信号源频率10kHz(峰值1mv),负载电阻1kΩ,电压增益大于100。

2)给电路引入电压串联负反馈:①测试负反馈接入前后电路的放大倍数,输入输出电阻和频率特性。

②改变输入信号幅度,观察负反馈对电路非线性失真的影响。

3.实验内容反馈接入前的实验原理图:1.放大倍数:Au=0.075V/0.707mV=106.0822.输入电阻:Ri=0.707mV/94.48nA=7.483kΩ3.输出电阻:Ro=0.707V/143.311nA=4.934kΩ4.频率特性:fL=357.094Hz,fH=529.108kHz输出开始出现失真时的输入信号幅度:19.807mV反馈接入后的实验电路:开关闭合之后:1.放大倍数:Af=7.005mV/0.707mV=9.9082.输入电阻:Ri=0.707mV/0.198uA=3.57kΩ3.输出电阻:Ro=0.707mV/0.096mA=7.364Ω4.频率特性:fL=67.134Hz,fH=6.212MHz输出开始出现失真时的输入信号幅度≈197mV4.理论值分析由于三极管2N2222A的β=220,所以反馈接入前第一级rbe1=rb+βVT/Ic=6.7kΩ第二级rbe2=rb+βVT/Ic=6.5kΩ第二级输入电阻Ri’=R8||(R7+40%R13)||rbe2=3.65kΩ放大倍数Au=βR4||Ri’*R9||R12/([rbe1+(1+β)R1]rbe2)=107.034输入电阻Ri=R3||(R2+30%R5)||[rbe1+(1+β)R1]=7.484kΩ输出电阻Ro=R9=5.1kΩ反馈接入后:F=0.101放大倍数Af=Au/(1+AuF)=9.056输入电阻Rif=R3||(R2+30%R5)||(1+AuF)Ri=3.621kΩ输出电阻Rof=Ro/(1+AoF)=7.425Ω所以可以得出结论Af≈1/F5.实验结果分析由仿真结果以及理论计算值可以看出,接入负反馈后,放大倍数明显下降,输入电阻变化不明显,输出电阻明显下降,原因是接入电压并联负反馈之后,输出电压基本稳定而输出电流由于负反馈的增加而变大,导致输出电阻变小。

运算放大器的设计与仿真-安超群

运算放大器的设计与仿真-安超群

9、电源稳定性的判断,可以采用“巴克豪森判据”,即一个稳定的负反馈系 统需要满足的条件是在环路增益为 1时,反馈信号的相位变化小于180deg ;或当 反馈信号相位变化达到180deg 时,环路增益小于1。其数学表达式如下:
一个系统开环传递函数如果在右半平面存在极点,则系统是不稳定的。如果 只存在左半平面极点和零点,那么需要进一步在波特图中分析系统稳定性。
四、应用于DC-DC中的误差放大器
参考资料
模拟CMOS集成电路设计。毕查德.拉扎维。 模拟集成电路设计与仿真。何乐年。 CMOS模拟集成电路设计。P.E.Allen. 下载资料: CMOS运放性能参数仿真规范。 运放稳定性。 Frequency response.
谢 谢!
一、运放基础知识
? 几种常见的运放结构 ? 负反馈的基本原理 ? 运放性能指标参数
1.运放的基本结构
套筒式
折叠式
两级运放
2.负反馈基本原理
H(S)称为开环传输函数 Y(S)/X(S)称为闭环传输函数
T定义为环路增 益
增益误差是实际闭环增益与理想值偏差的百分数
例:图中的电路被设计成额定增益为 10,即1+R1/R2=10。要 求增益误差为1%,确定开环增益的最小值。
判断如下系统是否稳定?
两级运放的补偿 问题:为什么两级运放需要补偿?
密勒补偿原理:
控制零点的密勒补偿
测试原理图如下所示:
环路稳定性测试
环路增益,开环增益,闭环增益的关系? 零极点的联系?
闭合速度稳定性检查法
如何估计零极点?
实例环路稳定性分析
开环 环路
闭环
由图可知,开环 GBW 必须小于闭环 的零点,才能保证环路的稳定性。

仿真教案:9:运算放大器分析仿真任务书.docx

仿真教案:9:运算放大器分析仿真任务书.docx

仿真教案:9:运算放大器分析仿真任务书一、实验目的1、加深对运算放大器及性能特征的认识与理解;2、掌握运算放大器及性能特征检测的仿真方法;3、探讨电子技术实验电路的设计方法,提高专业素养;4、掌握MULTTSTM10. 1仿真软件的使用。

二、工作任务及要求用MULTISIM10.1仿真软件分析运算放大器的性能特征1、反相比例运算电路(1)仿真电路图(2)仿真内容及步骤①搭建仿真电路按上述要求搭建仿真电路,信号源是幅值为100mVP-P.频率为50Hz的止弦② 仿真观测记录输入信号、输出信号的幅值及相位 输入信号lOOnv,输出信号luv,反向。

③ 理论计算出Vo 与Vi 的数值关系式。

V0近似等于vi④ 检验仿真数据与理论计算数据是否相同。

不相同2、同相比例运算电路(1)仿真电路图①搭建仿真电路按上述要求搭建仿真电路,信号源是幅值为100mVP-P.频率为50Hz 的正弦交流电。

② 仿真观测记录输入信号、输出信号的幅值及相位 输入信号200mv,输出信号2v,同相位③ 理论计算出Vo 与Vi 的数值关系式。

近似相同④ 检验仿真数据与理论计算数据是否相同。

不相同3、电压跟随运算电路(1)仿真电路图同前2:输入信号500mv,输出信号200mv3:近似相等交流电。

4:不相等4、反相加法运算电路(1)仿真电路图(2)仿真内容及步骤同前5、减法运算电路(!)仿真电路图① 搭建仿真电路按上述要求搭建仿真电路,反相输入端加的信号源是幅值为lOOmVP-P 、频 率为50Hz 的正弦交流电。

同相输入端加的信号源是幅值为200mVP-P.频率为50HzC1R2 E«Tn flC1—>11 4・7uF5 U1R1 (2)仿真内容及步骤 XFG1 XSC1的正弦交流电。

②仿真观测记录输入信号、输出信号的幅值及相位③理论计算出Vo与Vi的数值关系式。

④检验仿真数据与理论计算数据是否相同。

6、单门限比较器应用电路(1)仿真电路图(2)仿真内容及步骤①搭建仿真电路按上述要求搭建仿真电路,信号源是幅值为5VP-P、频率为50Hz的正弦交流电。

运算放大器的测量和仿真

运算放大器的测量和仿真

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,接近真实情况表1 MOS运算放大器技术指标总表2.概述总体电路:Symbol:3.双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范3.1 直流参数仿真3.11 失调电压(voltage offset )的仿真差分放大器性能一个重要的方面就是所能检测到的最小直流和交流差模电压。

多级放大电路的设计仿真分析

多级放大电路的设计仿真分析

多级放大电路的设计与仿真分析一、实验目的通过对放大电路的设计与分析,加深对放大电路的了解,并能够更加熟练的使用MULTISIM仿真软件,以及加深对各种分析的了解及应用。

二、实验原理静态工作点分析由计算可知UcQ=7V。

UcEQ=7.7V。

T1管的集电极电位UcQ1=2.36V。

所以△Uo=0.64V。

电路的差模放大倍数为A=58.三、实验步骤1、差分放大电路入图所示,此电路为单端输入、双端输出电路,两个输入端中有一个接地,输入信号加在另一端与地之间。

因为此电路对于差模信号是通过发射机相连的方式将T1管的发射极电流传递到T2管的发射极的,故称此电路为射极耦合电路。

2、设计中电阻选用R1和R2为10千欧,R3和R4为1千欧,三极管选用实际三极管模型。

三极管型号为2N1711,放大倍数为462.242。

1、直流工作点分析11 -1.78333io2 -1.68679io1 -1.6867913 -939.65643m14 -939.65643m在进行直流工作点分析时,电路中的交流源将被至零,电容开路,电感短路。

然后得到输入输出等各点的电压工作电压Io1=io2=-1.67679。

2、交流分析由分析可知,直接耦合差分放大电路的频率响应类似于低通放大电路。

在频率较小时,晶体管的电容效应可以忽略不计。

放大器对差模信号有很好的放大作用。

而当频率增大时,晶体管的电容效应不可忽略,并其影响随着频率的增大而增大,导致放大倍数下降,相移不断增大3、瞬态分析对输出节点io1和io2进行瞬态分析,即是指观察该节点子啊整个显示周期中每一时刻的电压波形,图中显示双端输出波形完全重合,即无失真,输出正常。

4、傅立叶分析Fourier analysis for io2:DC component: -1.6855No. Harmonics: 9, THD: 0.464951 %, Gridsize: 256, Interpolation Degree: 1 Harmonic Frequency Magnitude Phase Norm. Mag Norm. Phase-------- --------- --------- ----- --------- -----------1 1000 0.309375 0.0113511 1 02 2000 0.00139769 -92.415 0.0045178 -92.4263 3000 0.000317991 -3.5899 0.00102785 -3.60134 4000 0.000113302 85.4244 0.000366227 85.41315 5000 3.75667e-005 174.441 0.000121428 174.436 6000 1.33889e-005 -96.43 4.32772e-005 -96.4427 7000 4.67737e-006 -7.1248 1.51188e-005 -7.13618 8000 1.73049e-006 81.976 5.59349e-006 81.96479 9000 5.16304e-007 174.868 1.66886e-006 174.856由此可知,在1KHZ电源作用下,该电路的失真很小,可以忽略5、噪声分析Noise Analysisinoise_total 535.06991nonoise_total_qq2_rc 0.00000onoise_total_qq2_rb 0.00000onoise_total_qq2_re 0.00000onoise_total_qq2_ic 0.00000onoise_total_qq2_ib 0.00000onoise_total_qq1_rc 0.00000onoise_total_qq1_rb 0.00000onoise_total_qq1_re 0.00000onoise_total_qq1_ic 0.00000onoise_total_qq1_ib 0.00000onoise_total_qq1_1overf0.00000onoise_total_rr5 16.31716nonoise_total_rr4 16.11037nonoise_total_rr3 16.11037nonoise_total_rr2 1.63091nonoise_total_rr1 1.63091nonoise_total 52.00490n噪声分析用于检测电子线路输出信号的噪声的噪声功率幅度,用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。

Class-AB宽带功率放大器匹配方法的设计与仿真

Class-AB宽带功率放大器匹配方法的设计与仿真

Class-AB宽带功率放大器匹配方法的设计与仿真王毅敏;李佳旺【摘要】With the rise of the third communication revolution in the software-defined radio, the broadband RF power amplifier becomes the key part of the software radio transmission system, and has the advantages of wide bandwidth, large dynamic range, small size, long service life and so on. According to the characteristics of software radio and the development trend of current power amplifier, a broadband linear power amplifier with output power of over 25 W and 30-500 MHz working band is designed and developed. By using the coaxial line for broadband matching, and via analyzing the structure model and working characteristics of the push-pull high frequency broadband power amplifier, ADS simulation is done and the design verified. With the appropriate reactance value, the real part of the input-output impedance for the power pipe is made to meet the requirement of the same axis matching. Finally, the coaxial line length, characteristic impedance and the best value of the related components are acquired. After adjustment and optimization, the design reaches the expected indicators. This transformation model has a good prospect of analysis and application in the actual market.%随着软件定义无线电第三次通信革命的兴起,宽带射频功率放大器成为软件无线电发射系统的关键一环,具有频带宽、动态范围大、体积小、寿命长等优点.针对软件无线电的特点及当今功率放大器的发展趋势,设计研制了一款输出功率在25W以上、工作在30~500MHz的宽带线性功率放大器.采用同轴线进行宽带匹配,通过分析推挽式高频宽带功率放大器的结构模型和工作特点,利用ADS仿真验证设计.以合适的电抗值使功率管的输入输出阻抗的实部达到同轴线匹配的要求,最终得到同轴线长度、特性阻抗和相关元器件的最佳取值.经过调整和优化,使设计达到所需指标.这种转换模型在实际市场中有很好的分析应用前景.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)003【总页数】7页(P727-733)【关键词】宽带功率放大器;同轴线匹配;推挽式;ADS【作者】王毅敏;李佳旺【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN722.750 引言随着灵活和开放的软件定义无线电第三次通信革命的兴起,越来越多的人开始投入到SDR架构的研究中。

运算放大器的设计与仿真

运算放大器的设计与仿真

运算放大器的设计与仿真设计要求:1.增益稳定性:运算放大器的增益应该能够在所需的频率范围内保持稳定。

2.输入阻抗:运算放大器应具备较高的输入阻抗,以减少对输入信号的干扰。

3.输出阻抗:运算放大器应具备较低的输出阻抗,以减小对外界负载的影响。

4.带宽:运算放大器应具备较宽的带宽,以满足对高频信号的放大需求。

5.稳定性:运算放大器应具备较高的稳定性,以避免产生自激振荡或输入偏移。

电路结构:差分输入级:差分输入级是运算放大器的核心部分,用于接受差分输入信号。

它由两个差分对组成,每个差分对由两个晶体管连接而成。

差分输入级的输入阻抗较高,能够减小对输入信号的干扰,提高共模抑制比。

共模放大级:共模放大级用于放大输入信号的共模部分。

它由一对电流镜电路和一个差分放大电路组成。

共模放大级的放大倍数影响运算放大器的共模抑制比和输入选择性。

输出级:输出级用于提供对外的放大信号。

它由输入级的晶体管、电源和输出级负载组成。

输出级应具备较低的输出阻抗,以便与外界负载匹配。

参数选择:参数选择是运算放大器设计的重要环节。

下面是几个常见参数的选择方法:增益:增益可以根据具体应用需求来设定。

一般来说,增益越高,对输入信号的放大效果越好,但也容易引入噪声和干扰。

带宽:带宽取决于应用的特定频率范围。

选择较高的带宽可以满足对高频信号的放大需求,但也可能引入频率抖动和畸变。

输入阻抗:输入阻抗应根据信号源的特性来选择。

如果信号源的输出阻抗较高,则需要选择较低的输入阻抗以保证信号传输。

输出阻抗:输出阻抗应根据负载的特性来选择。

如果负载的输入阻抗较高,则需要选择较低的输出阻抗以提供足够的电流输出。

稳定性:稳定性可以通过选择合适的电容和电阻来提高。

一般来说,通过增加补偿电容和添加反馈电阻可以提高运算放大器的稳定性。

仿真:对于运算放大器的设计,可以使用电子设计自动化软件进行仿真验证。

主要包括以下步骤:1.输入基本电路参数,如晶体管的参数、电源电压等。

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5.失调电压(offset)
将电路结成单位增益负反馈,做瞬态分析,输出即为失调电压。
6、输入共模范围
做DC分析,观察运放在要求的输入共模范围是否能满足每 个管子都在饱和区。
7、输出范围
做瞬态分析,将运放接成电阻反馈形式,输入正弦信号进行放大,观察 输出。
8、共模抑制比
做AC分析,仿真电路如下所示:
电源电压抑制比(PSRR)
在实际使用中的电源也含有噪声,为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响, 需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器的输出端的。把从运算放大 器输入到输出的增益除以电源到输出的增益定义为运放的电源电压抑制比 (PSRR)
二、运放的设计和仿真
设计流程:
1、确定运放在系统中的作用,确定运放的负载
在主极点频率时
主极点频率处即为3dB带宽
增益带宽积(GBW)
随着频率的上升,会开始下降,下降至0dB时的频率即为GBW
假设运放只有一个极点,那么该运放的传递函数为
当增益降至0dB时,s=AVW0 即运放的增益带宽积为
则闭环系统的传递函数为
Байду номын сангаас
由该运放构成的负反馈闭环系统的增益带宽积为
结论:开环的增益带宽积与闭环的增益带宽积一致。
2.增益,相位裕度,增益裕度,增益带宽积
做AC分析,仿真原理图如下:
gm1=156u Rout1=1/(474.1n+640.2n) gm2=9.979m Rout2=1/(8.06u+9.25u) AV=gm1Rout1gm2Rout2=98.138dB P1=1/2*pi*gm2Rout2CCRout1 CC不只是4p,应包括M6的CGD=4.136p P1=37.81
2、确定运放的指标
3、选择合适的运放
4、手动计算各管子的宽长比
5、使用软件进行调试
以一个简单的二级运放为例,介绍如何进行手动计算。
确定CC 确定第一 级电流 确定M3 确定M1 确定M5
确定M6 确定M7
如何确定uCox以及沟长调制系数λ?
选一个电路,对其进行DC仿真,查看NMOS和 PMOS的DC OPERATING POINTS,即可得左图, 其中, betaeff=μcoxW/L gds=λID
条件: 1.反馈网络中不含有频率分量 2.单位增益带宽频率内只含有一个极点
3.运放性能参数
开环增益,增益带宽积,相位裕度,增益裕度
开环增益:低频工作时(<200Hz),运放开环放大倍数; 增益带宽积:随着频率的上升,会开始下降,下降至0dB时的频率即为GBW; 相位裕度: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; 增益裕度:为保证运放稳定性,除相位裕度外,还应保证:当相位移动达到180 度时,增益要小于0dB,一般要由10dB裕量,即当相位移动达到180度时, 增益要小于-10dB。
如何使用软件进行仿真完善设计?仍然以两级运放为例。
用途:缓冲器
负载:20p电容 指标:增益:80dB 建立时间:2.08u 输入输出摆幅:-3.7V到3.7V
摆率:3V/us
1.确定每个管子在饱和区
做DC分析,通过观察DC OPERATING POINTS,查看管子的工作状态,保证每 个管子都工作在饱和区。
转换速率(slew rate)
•由图可以看出,输出电压Vout 在跳变后的一段时间内并没有 按照指数规律变化,而是表现 出具有不变斜率的线性斜率。 这就是负反馈电路中使用的运 放表现出的所谓转换大信号特 性。输出响应中的“斜坡”部 分的斜率成为“转换速率”
ΔV增加到使M1吸收全部的尾 电流,使M2关断,负载电容
被大小等于尾电流的镜像电
流充电,结果产生了斜率为 ISS/CL斜坡输出。
当输出电压接近VIN时,M2管
重新导通,并回到饱和区, 电路回到线性工作状态。
共模抑制比(CMRR)
实际电路中,运放既不可能是完全对称的,电流源的输出阻抗也不可 能是无穷大的,因此共模输入的变化还是会引起输出电压的变化。 CMRR定义为差模电压增益与共模电压增益之比
H(S)称为开环传输函数
Y(S)/X(S)称为闭环传输函数
增益误差是实际闭环增益与理想值偏差的百分数
例:图中的电路被设计成额定增益为10,即1+R1/R2=10。要 求增益误差为1%,确定开环增益的最小值。 β=1/10 100/Aβ<1% A>1000

3dB带宽

下式给出了更一般的多极点运算放大器的传递函数。为便于分析,忽 略了零点对运放传递函数的影响,并假设主极点w0远远小于其他极点。
运算放大器的设计与仿真
安超群 2012年3月5日
• 运放基础知识
• 运放的设计与仿真 • 运放的稳定性 • 应用于DC-DC中的误差放大器
一、运放基础知识
• 几种常见的运放结构
• 负反馈的基本原理
• 运放性能指标参数
1.运放的基本结构
套筒式
折叠式
两级运放
2.负反馈基本原理
T定义为环路增 益
• 3.建立时间
做TRAN分析,将运放结成单位增益负反馈,输入小的阶跃信号,观察 输出波形
使用caculator中的settling time 函数计算建立时间。
4、转换速率(SR)
做瞬态分析,将运放结成单位增益负反馈,输入大信号,观察输出。
直接测量或使用caculator中的slew rate函数计算转换速率。
9、电源电压抑制比
三、运放稳定性
对一个系统稳定性的判断,可以采用“巴克豪森判据”,即一个稳定的负反馈系 统需要满足的条件是在环路增益为1时,反馈信号的相位变化小于180deg;或当 反馈信号相位变化达到180deg时,环路增益小于1。其数学表达式如下:
到输出稳定的时间。它主要针对运放的小信号特性,在整个跳变过程
中,运放仍保持线性。
βAVw0为反馈系统的3dB带宽,若定义反馈系统的响应时间常数
如果认为输出电压和最终值之间的误差小于2%,则认为输出稳定,那么建立时间最小 为4个响应时间常数。
在设计时,可以通过对系统响应速度的要求,获得对所需要设计的运放单位增益带宽 的要求
失调电压(voltage offset)
定义:实际运放中,当输入信号为0时,由于输入级的差分对不匹配及 电路本身的偏差,使得输出不为零,而为一较小值,该值为输出失 调电压,折算到输入级即为输入失调电压。
建立时间(settling time)
建立时间是衡量运算放大器反应速度的重要指标,它表示从跳变开始
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