运算放大器部分
运算放大器参数详解
运算放大器参数详解运算放大器（通常简称为运放）是一种广泛应用于模拟信号处理领域的电子器件。
它被广泛应用于各种不同的电子设备中，包括音频放大器、模拟电路、数字电路等。
以下是对运算放大器参数的详细解释：1. 带宽增益乘积：这是运算放大器的一个重要指标，它等于开环带宽与开环增益的乘积。
这个参数可以用来估算运放在高频应用中的性能。
2. 开环增益：开环增益是运算放大器在没有反馈的情况下，输入电压与输出电压之比。
这是一个衡量运放放大能力的参数。
3. 最大差模输入电压：这是指运放可以接受的最大差分输入电压。
超过这个电压，运放可能会被损坏。
4. 最大共模输入电压：这是指运放可以接受的最大共模输入电压。
超过这个电压，运放可能会被损坏。
5. 最大输出电压：这是指运放在安全工作范围内可以输出的最大电压。
超过这个电压，运放可能会被损坏。
6. 电源电压范围：这是指运放正常工作所需的最小和最大电源电压。
低于最小电压，运放可能无法正常工作；高于最大电压，运放可能会被损坏。
7. 功耗：这是指运放在正常工作条件下消耗的功率。
这是一个重要的环保指标，因为电子设备的功耗直接影响到其热量产生和能源消耗。
8. 输入阻抗：这是指运放在没有反馈的情况下，输入端的电阻抗。
这个参数可以影响运放在特定应用中的性能。
9. 输出阻抗：这是指运放在没有反馈的情况下，输出端的电阻抗。
这个参数可以影响运放在特定应用中的性能。
10. 带宽增益乘积与最大带宽：带宽增益乘积是指运算放大器在特定频率下达到特定增益所需的带宽，通常以Hz为单位表示。
最大带宽是指运放在不失真的情况下可以处理的最高频率信号。
这两个参数共同决定了运算放大器处理高频信号的能力。
11. 建立时间：这是指运算放大器从启动到达到最终输出值所需的时间。
这个参数对于需要快速响应的电路设计来说非常重要。
12. 失调电压：这是指运算放大器在没有输入信号的情况下，输出端的直流偏置电压。
这个参数可能会对电路的直流性能产生影响。
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。
12.2运算放大器
RF
解：1. AUFD = – RF R1
+ ui
R1
– +
+
+
uo
–
R2
–
= –50 10 = –5 R2 = R1 RF
=10 50 (10+50)
= 8.3 k
2. 因 AUFD = – RF / R1 = – RF 10 = –10
(1
RF R1
)u
+ ui1
–
+ ui2 –
R1 R2
u+
– +
R3
+
+ uo –
(1
RF R1
)
R3 R2 R3
ui 2
uo uo uo
(1
RF R1
)
R3 R2 R3
ui 2
RF R1
ui1
4. 反相输入加法运算电路 （2）电路分析
（1）电路组成 ui2 ii2 R2 if RF
UCC 正电源电压 UEE 负电源电压
3. 理想集成运算放大器
1）开环差模电压放大倍数 |AUOD |
三
特 点
2）开环差模输入电阻 RIOD 3）开环差模输出电阻Ro 0
高 一
4）开环共模抑制比 KCMR
低
分析依据：两输入端“虚短”和“虚断”
(1)因为 uo = AUOD(u-– u+ )则 u- - u 所以：差模输入电压约等于 0， 即
输入端 输入级
中间级
输出级
输出端
通常由差动放 大电路构成， 目的是为了减 小放大电路的 零点漂移、提 高输入阻抗、 减低干扰。
模电第02章 运算放大器(康华光)
vp
vn
- ri ro + &#传输特性(vo~vi关系) 例如反相比例器：
vo
+Vom
传输特性
vo
Rf R1
vi
-vim
－Vom
vim
vi
vo 变化范围：
－ Vom
~ + Vom
线性工作区
当vo = Vom时： vim = - +Vom R1/Rf 可见：加入负反馈(闭环使用时)使线性工作区变宽。
vn
in
ro
ri +
vp ip +
vo
- A(vp-vn)
可见： 当vp-vn> 0 时, vo=+Vom 运放工作在正向饱和区 当vp-vn<0时, vo=-Vom 运放工作在反向饱和区
∵实际运算放大器≈理想运算放大器 ∴分析实际运算放大器≈分析理想运算放大器
(5-11)
五.含理想运算放大器电路的分析依据
RL
+ vo -
2.指标计算 虚地 (1)电压增益 “虚短”: vn≈vp ＝0 “虚断”: ip＝in≈0 ∴i1 ＝ i2+in≈ i2
1.结构特点 负反馈引到反相输入端, 信号从反相端输入。
v i v n v n vo R1 R2 v i vo R1 R2
vo R2 Av vi R1
当(vp- vn)<0时, vo=-Vom ——负饱和值
饱和值Vom的绝对值略低于正负电源的绝对值。
(5-13)
§2.3 §2.4 线性运放电路
运放外部接若干元件(R、C 等)，即可组成多种线 性运放电路。线性运放电路工作在闭环状态。
简单的集成电路运算放大器
第21讲6.3 简单的集成电路运算放大器主要内容:本节主要介绍了集成电路运算放大器。
基本要求：了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。
教学要点：1．集成电路运算放大器的组成集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。
（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。
（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。
此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等2．简单的运算放大器简单运算放大器的原理电路如图所示。
（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。
（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。
（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压v id=v i1-v i2为零时，输出电压v O=0的目的。
（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。
（5）电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。
在运算放大器的代表符号中，反相输入端用"-"号表示，同相输入端用"+"表示。
器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。
（6）输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压v i1从反相输入端输入时（v i2=0），如v i1的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为：v C2（+）→v O2（–）→v B6（–）→v O（–）则输出信号电压v o 与v i1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入v i2(v i1=0)时，可以检验，输出电压v o与v i2同相。
第4章 集成运算放大器的结构及特性
4.输入失调电压温漂 dVio /dT
在规定工作温度范围内，输入失调 电压随温度的变化量与温度变化量 之比值。
5.输入失调电流温漂dIio /dT
在规定工作温度范围内，输入失调电 流随温度的变化量与温度变化量之比 值。
6.最大差模输入电压Vidmax
(maximum differential mode input voltage) 运放两输入端能承受的最大差模输入电压， 超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。
五、运算放大器的符号和型号
运算放大器的符号中有三个引线端，两个 输入端，一个输出端。一个称为同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用 符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入 端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异， 用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输 入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实 际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有 的品种还有补偿端和调零端。
7.最大共模输入电压Vicmax
(maximum common mode input voltage) 在保证运放正常工作条件下，共模输入 电压的允许范围。共模电压超过此值时， 输入差分对管出现饱和，放大器失去共 模抑制能力。
二、运算放大器的动态技术指标
1.开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电 压的变化量与输入电压的变化量之比。 2.差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模 信号时，运放的输入电阻。 3.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压 增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数 来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)
运算放大器的主要参数
02
输出参数
输出阻抗
总结词
输出阻抗是运算放大器的一个重要参数，它决定了放大器输出信号的损失程度。
详细描述
输出阻抗定义为运算放大器输出端的电阻抗，它反映了放大器对输出信号的阻碍作用。输出阻抗越大 ，信号在输出端的损失越大，信号保真度越低。因此，在选择运算放大器时，应尽量选择具有较低输 出阻抗的型号，以减小信号损失。
03
直流参数
直流增益
总结词
直流增益是运算放大器的重要参数，表示放大器对直流信号的放大能力。
详细描述
直流增益是指在直流条件下，输出电压与输入电压的比值，通常用分贝或倍数表 示。它是衡量运算放大器放大能力的重要指标，一般要求具有较高的增益值。
输入失调电压
总结词
输入失调电压是运算放大器的静态参数，表 示输入端在没有输入信号时，由于内部晶体 管的不对称性所产生的电压差。
详细描述
电源电流是衡量运算放大器功耗的重要参数，它反映了 运算放大器在正常工作状态下对电源的负载能力。较小 的电源电流意味着较低的功耗和发热，有助于提高运算 放大器的可靠性。在选择运算放大器时，应考虑其电源 电流与系统电源的负载能力相匹配。
功耗
总结词
功耗是运算放大器在工作过程中消耗的能量，通常以瓦特（W）为单位表示。
运算放大器的主要参数
目录
• 输入参数 • 输出参数 • 直流参数 • 交流参数 • 电源参数
01
输入参数
输入偏置电流
总结词
输入偏置电流是运算放大器在无输入信号时，输入端的直流 电流。
详细描述
输入偏置电流表示运算放大器在静态时，输入端的直流电流 大小。它反映了运算放大器输入级的直流状态。输入偏置电 流的大小会影响运算放大器的精度和线性度，因此在实际应 用中需要对其进行精确控制。
运算放大器电路原理
运算放大器电路原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种极为重要的电子元器件，广泛应用于各种电路中。
它具有高增益、差分输入、单端输出等特点，能够放大电压、电流和功率等信号，并提供微弱信号的放大和处理功能。
本文将介绍运算放大器的基本原理及其电路结构。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一个多元件集成电路（IC），通常由几个晶体管、电阻和电容器等元件组成。
它的核心部分是一个差分放大器，具有高增益特性。
运算放大器的输出电压与输入电压之间的关系可以通过下面的公式表示：Vout = Av (V+ - V-)其中，Vout为输出电压，Av为放大器的开环增益，V+和V-分别为非反相输入和反相输入。
二、运算放大器的电路结构运算放大器的电路图可以简化为以下几个主要部分：1.差动放大器：差动放大器是运算放大器的核心部分，它由两个输入电源、两个输入电容和两个晶体管等电路组成。
它的作用是将输入信号进行差分放大，增益高达几千倍。
2.电流镜：电流镜是一个由晶体管组成的电流源，用于提供稳定的电流输出。
它的作用是保持差动放大器的工作点稳定，使得差动放大器的输出可以线性放大。
3.级联放大器：级联放大器由多个差分放大器组成，用于提高整个运算放大器的放大倍数。
每个差分放大器都会放大之前的放大器的输出信号。
4.反馈网络：反馈网络是运算放大器的重要部分，通过它可以实现对输出信号进行控制和调整。
反馈网络可以分为正反馈和负反馈两种形式，具体的选择取决于应用的要求。
三、运算放大器的应用运算放大器在电子电路中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.信号放大：运算放大器可将输入信号放大到所需的幅度，用于增强微弱信号。
2.滤波：运算放大器可以配合电容器和电阻等元件，构成滤波电路，用于滤除不需要的频率成分，提取特定频率的信号。
3.比较器：运算放大器可以作为比较器使用，用于判断输入信号的大小关系，并输出相应的逻辑电平。
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低温漂: 0.05µV/˚C (max)
低噪声: 1.1 µVP-P 带宽: 350kHz Rail-to-Rail 输入和输出 1.8V to 5.5V 供电
8
输入端口相关的指标 –偏置电流
• 手册中的截图，关键字（bias current）
19
输出端口相关的指标 – 压摆率 slew rate
• 压摆率限制了输出大信号的带宽
输出端口相关的指标 – 压摆率 slew rate
缓冲一个10HMz的正弦信号，500mVpp => SR needs 30V/uS
SlewRate Bandwidth 2 Vpp
5Vpp
=> SR needs 300V/uS
R1 1k
2
6
4
R2 1k
VF1 +
7
+
VG1
3
+
U1 OPA227
V1 1.25
V2 5
R5 1k
2
+
VG3
3
6
4
R6 1k
VF3 + U3 OPA350
7
+
V5 1.25
V4 5
13
输入端口相关的指标 – 噪声特性
• 手册中的截图，关键字（noise，noise density）
• 噪声的单位是一个电压密度，在频率上积分后得到电压，再经过平方除以电阻 就可以得到功率 • OPA337的噪声特性
• OPA691的偏置电流在uA级别，双极型输入
• OPA656的偏置电流在nA级别，FET输入
10
输入端口相关的指标 – ange, ）
• 输入电压范围在将运放用于单电源供电时要特别注意。因为： 1、单电源的VCC和GND之间的电压差较小，输入不是轨到轨的话将限 制输入电压的范围。 2、信源用GND作为参考，当输入小信号或者信号中直流分量小的时候 ，就相当于输入逼近GND电源轨，如果不满足输入调件将不能正常工作 • OPA365轨到轨运放的输入电压范围
运算放大器的指标
1
运算放大器在电子系统中的位置
电源
电源监视
显示
存储
电源分配
数据传输
模拟输出 /激励
传感器
ADC
DSP/µC
DAC
信号调理
信号调理
运放的功能
ZFB
VCC
ZIN
_ +
运放+外部分立元件 = 放大器 : 缓冲器: 滤波器: 各种运算功能: 改变信号的幅度 隔离输入和输出，阻抗匹配（高输入阻抗，低输出阻抗） 滤除不想要的频率分量：噪声和干扰 积分，微分，乘法，对数，等等
OPA140 FET输入
5
输入端口相关的指标 – 带宽
• 手册中的截图，关键字（frequency response, GBW, bandwidth）
• 对于宽带的运放，由于类型不同如VFB和CFB的，还会给出不同增益下 的带宽，用于说明带宽随增益变化的规律。
• OPA691 电流反馈型(CFB)
偏置电流 – 输入级为了能正常工作而对输入晶体管进行偏置所需要的 基极电流（BJT）或栅极电流（JFET），可能流入（npn BJT或p沟道 JFET）或流出（pnp BJT或n沟道JFET）运放的输入引脚，越小越好
R2
失调电压VOS是针对V+和V-之间的固有电压差； VSR1 ibDVOS + 失调电流IOS是等于IB+-IB-； IOS可以比IB小10倍以上； 对于有调零电路的运放来说，两者几乎相等。
空才能保证不发生削顶/底
VddInput Signal Range Output Signal Range
输入端口相关的指标 – 非轨到轨输入运放仿真
• 对于输入电压范围正负电源轨都达不到的运放，不适合在单电源中应用。 • 对于输入电压范围能达到负电源轨，达不到正电源轨的运放，调节直流偏置即可应用在单 电源中。
这些工艺也可以结合：
BiFET: Bipolar + JFET：FET输入，Bipolar输出
BiCMOS: Bipolar + CMOS：常见于模数混合电路，如电源芯片
因此，对于我们这里描述的Vos和Ib来说，关心OPA输入级的工艺
TI 精密放大器家族
运放的直流精度通常由其输入级工艺决定
• 偏置电流在对高阻信源放大时非常重要。因为偏置电流乘以高阻可以产 生很大的误差电压。例如20uA的偏置电流，在100K电阻上产生的电压为 2V，放大倍数稍大就可以使运放饱和。 • OPA691的偏置电流，双极型输入高速放大器
• OPA656的偏置电流，FET输入高速放大器
9
输入端口相关的指标 –偏置电流影响仿真
运放应该关注哪些指标
•了解运放的对外接口 - 正负端输入 - 供电管脚 - 输出管脚 •输入端口相关的指标 - 输入阻抗 - 带宽 BW - 偏移电压 offset voltage - 偏置电流 bias current - 输入电压范围 - 噪声特性 •输出端口相关的指标 - 输出的驱动能力 - 输出电压范围 - 压摆率 slew rate •供电相关指标 - 供电电压范围 - 静态电流 •附加的功能管脚
R2 1k R1 1k
2
+
11
VF1
1
3
+
4
V5
U1 LM324
V5 V1 5 R3 1k
+
VG1
R4 1k U2 OPA364 VF2
+
-
+
V5
18
输出端口相关的指标 – 压摆率 slew rate
• 手册中截图，关键字（slew rate）
• 压摆率是运放输出信号的最大斜率，表示运放输出大幅度信号的能力。结合 GBW可以计算出运放在输出最高频率信号时幅度的最大值。
• 信号S(t)=A*sin(2*������*f*t)，信号斜率的最大值为 A*2*������*f = slew rate。可以看到 slew rate压摆率不变时，A越大，f就越小。需要A和f都大的应用场合，就需要 选择压摆率大的运放。（注意手册中给出的负载情况） • 驱动级运放和高速运放的压摆率都很大，例如BUF634和THS3092 • THS3092的压摆率，例如输出50MHz正弦信号时可以达到12V。 • BUF634的压摆率，例如输出50MHz正弦信号时可以达到6V.
• OPA335的输入电压范围能达到负电源轨，达不到正电源轨。
11
输入端口相关的指标 – 输入电压范围
OPA365: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND 轨到轨输入和输出运放： 如OPA365，输入和输出摆幅都能非常 接近供电电源轨. 但也不能完全达到。 5V
GND
轨到轨输出运放： 如OPA335，输出摆幅可以非常接近供 电电源轨. 但不能完全达到。输入在高 电平处需要1.5V的净空。 5V 3.5V
SlewRate 2 V pp BandWidth
500mVpp
GBW = 280MHz SR = 240V/uS
5Vpp
供电相关的指标 – 供电范围和静态电流
• 手册中的截图，关键字（power supply, quiescent current）
• 供电电压可以看出器件是否适合在单电源低电压下使用，静态电流可以 看出器件是否适合在低功耗应用中使用。 • OPA4xx: 宽供电范围， up to 100V，输出电流至50mA • OPA3xx: CMOS, <=5.5V,精密,直流特性出众,轨到轨,低噪低功耗
• 非轨到轨运放LM324
16
输出端口相关的指标 –输出电压范围
在最大输出幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空，保 证输出不被削顶/底。对输入也是一样。 根据运放输出结构不同，这个裕量从数mV到数V不等。
输出端口相关的指标 –输出电压范围仿真
运放不是轨到轨在单电源低压供电下会使输出范围过小。这样放大较大信号时 就会消峰。TINA-TI仿真结果如下：
• THS3092也是一款常用的驱动级运放。
15
输出端口相关的指标 –输出电压范围
• 手册中的截图，关键字（output swing）
• 在单电源供电的场合更需要注意，因为单电源供电电压低，并且小信 号输出时接近GND电源轨。在单电源供电中选择轨到轨（rail to rail） 更方便使用。
• 轨到轨运放OPA354
Input Signal Range
Output Signal Range
OPA335: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND
GND
非轨到轨运放： 如uA741, LM324, OP27等，输入和输 出在高电平和低电平处都需要一定的净 Vdd+
Input Signal Range uA741
Output Signal Range
• OPA335的噪声特性
• 可以看出对与低频小信号OPA335的噪声性能更好
14
输出端口相关的指标 –输出的驱动能力
• 手册中的截图，关键字（current，output)
• 输出驱动能力是表示运放带负载的能力，作为最后一级时常常要考虑 其驱动能力。
• BUF634的驱动带宽30M或180M，注意手册中的continuous, 表示可以 承受均值电流250mA。
• OPA830 电压反馈型(VFB)
6
输入端口相关的指标 – 带宽
GBP (Gain Bandwidth Product) • VFB 类型的运放受增益带宽积的限制 • Gain * Bandwidth = GBP • 例如 a) 带宽为1MHz GBP的运放 b) 在100倍增益情况下只有10KHz带宽