5_第五讲_运算放大器及频率补偿分析
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
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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
权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之五
权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之五
运算放大器来源于电子线路，与电子技术的发展息息相关。
运算放大器是每位电子工程师必须研习的对象，为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。
陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。
他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专着。
下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！
5．集成运算放大器的理论挑战。
为什幺说应用集成运算放大器会遇到理论的挑战？原因很简单，这就是引入了深度负反馈。
电子技术基础课程中，往往是说负反馈的优点多，负反馈的缺点却很少提及，顶多就是深度负反馈可能会引起自激振荡。
那幺在实际应用中应用集成运算放大器受到了哪方面的电子技术基础课程中所学的理论的挑战？
5.1 负反馈需要放大器具有更高的开环增益
世界上的任何事情都是要有付出的，尽管负反馈可以为放大器带来诸多好处，但是在实际上也对放大器性能的要求随之提高了，也许这就是在利用负反馈获得放大器稳定的、优异的特性同时需要付出的代价。
首先：。
5-第五讲-运算放大器及频率补偿分解
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
9
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。
37
对于一个由运放构成 的线性反馈系统
斜率正比于终值， 为“线性稳定”。 对于小的输入阶 跃，输出响应遵
循指数规律。
38
大信号转 换状态
小信号放 大状态
而对于大的输入阶跃，输出表现为具有不变的斜率。 这种情况下的运放为转换状态。此时输出响应的斜 率为“转换速率”。
39
运放小信号工作状态
随着电流对CL 的不断充电，X 点电压逐渐上升， 差动对为工作状
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。的性能，因此全差动结构更受欢
类似于三层共源共 栅的增益
调节型共源共栅：Voutmin=VOD2+VGS3 普通共源共栅： Voutmin=VOD2+VOD1
辅助放大器减小了 输出摆幅。
21
将调节型共源共栅应用于差动共源共栅结构中：
X、Y为 全差动
信号
M5、M6 差动对尾
电流源
在差动共源共栅级中采用调节型共源共栅提高输出阻抗
运算放大器稳定性及频率补偿学习报告
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。
放大器的频率特性和集成运算放大器的应用课件
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
运放的稳定性与频率补偿
如图 4-1，显然，要保证有稳定的阶跃响应的需要使增益交点与相位交点保持一 定的“间距” ，当然该“间距”越大，系统的阶跃响应越稳定。由此我们定义“相 位裕度”PM 的概念，为 PM 180 H 1 ，其中 1 为增益交点频率。 在此我们会又产生一个问题，既然“相位裕度”越大，系统的响应越稳定， 那么相位裕度是不是越大越好呢？答案是否定的。 通过实验观察并加以分析可以 得到，当“相位裕度”越大时，系统的响应速度越慢，因此， “相位裕度”取一 定值时会最合适。经研究表明，相位裕度至好要达到 45 ，最好是 60 。
A(B) D C
6
画出此两级运放极点在坐标轴上的位置图 6-3 如下：
图 6-3 运放各极点的位置 如图 6-3，要使极点 A（B）往原点方向移动，就需要改变结点 A(B)等效电阻和 结电容的大小。 如图 6-4， 通过在结点 A(B)处加补偿电容 （此时利用了密勒效应， 以减少所需补偿电容的大小，从而降低成本） ，而增大结点 A(B)处等效电容的大 小，从而使 A B 减小，即向原点移动。
2. 电路的稳定性分析 ＋ X(s) －
β
+
H （ s）Βιβλιοθήκη Y(s)图 2-1 基本负反馈系统
考虑图 2-1 负反馈系统，该闭环系统的传输函数为
Y s H ( s) X 1 H (s)
可以看到，如果, H(s jw1 ) 1 ，则“增益”趋于无限，电路可以放大自身的 噪声直到它最终开始振荡。振荡条件由相位和增益幅度值体现如下：
7
图 6-5 补偿后两级运放的频率特性
8
图 6-4 增加补偿电容的两级运放
通过增加补偿电容之后的运放的频率特性如图 6-5，观察图可以看出运放此时的 相位裕度已达 56 ，因此符合稳定所需的条件。 其它用于频率补偿的方法还有很多，灵活运用“密勒效应” ，运放的零点对 运放的频率补偿有很大帮助，适时运用“密勒效应”和运放的零点对于降低电路 的复杂性，降低成本，提高电路的可靠性等有很大帮助。在此，不再一一分析。 另外，需要注意的是在做频率补偿的过程中，可能会出现其它的问题，所以在改 进过程中要多加注意。
放大电路的频率补偿
放大电路的频率补偿一、概述放大电路中的频率补偿是指在放大电路中加入相应的电路元件以使信号在不同频率下获得相同的增益，即在许多频率点上获得平坦的增益特性。
这种补偿电路是用来对放大电路的频率响应进行修正的，以确保放大电路对不同频率的信号进行准确的放大。
二、放大电路的频率响应放大电路在不同频率的信号输入下会产生不同的增益，通常会发生低频降低、高频升高的问题。
这是由于不同频率的信号经过传输后的电容、电感和电阻等电路元件的响应不同。
如果不进行修正，放大电路在不同频率下的输出信号将会失真，从而影响信号的传输质量。
三、频率补偿电路的分类1、毛刺电路毛刺电路是一种常见的频率补偿电路，用于平衡高频放大器在频谱上的响应。
在高频范围内，放大器电容和电阻之间的反馈路径会产生毛刺。
这时，可通过在反馈路径中添加一个毛刺电路，以平衡反馈路径上的响应。
2、反馈电容电路反馈电容电路也是常见的频率补偿电路之一，它通过在反馈回路中添加一个带有大电容的元件来平衡放大器在低频范围上的响应。
反馈电容电路还有一个优点，即可以抑制放大器的直流漂移。
3、半导体电子组件半导体电子元件也是常用的频率补偿电路之一。
在集成电路中，由于工艺的限制，晶体管的实际功率增益随频率而降低。
在这种情况下，可以通过添加半导体电子组件来抵消不同频率下的功率损失，从而实现频率补偿。
4、LC网络LC网络也是一种常见的频率补偿电路，它利用电感和电容来平衡放大器的频率响应。
对于低频区域，电感可以将低频信号过滤掉，而对于高频区域，电容则可以将高频信号过滤掉。
因此，通过调整电感和电容的组合，可以实现放大器在整个频率范围内的平坦增益特性。
四、应用实例频率补偿电路在实际应用中非常广泛。
例如，在功率放大器中，频率补偿电路用于保持电路的增益平坦，实现高品质的声音传输。
另外，在无线电通信领域，频率补偿电路是必要的，因为无线电信号在传输过程中会受到频率偏移影响，导致信号质量下降。
频率补偿电路可以对这种偏移进行补偿，以确保信号传输质量。
第五讲,反馈与频率补偿
输入阻抗
输出阻抗
输入输出阻抗计算
z 输入阻抗：
z 输出阻抗：
电流-电压反馈
z 反馈网络：
– 输入阻抗为零 – 输出阻抗为零
输出阻抗
输入阻抗
电压-电流反馈
z 反馈网络：
– 输入阻抗无穷大 – 输出阻抗无穷大
输入输出阻抗计算
z 输入阻抗：
z 输出阻抗：
GX
PX zf减小，环路增益T的相移曲线不变，而幅度（dB）减去一个 常数，曲线整体向下移动，导致GX向零点移动，使得系统的 稳定性增加，因此f＝1时（单位增益反馈放大器），系统稳定 性最差
反馈放大器的稳定性条件
z GX对应的频率小于PX对应的频率
∀ω1, PhT ( jω1) = −180o
T ( jω1) < 1
CL
)
CC
=
0
⇒ ωp2
≈
1 RLCL
CC
+ CGD9
>>
CE
⇒ ωp2
≈
gm9 CE + CL
z Miller补偿使中间级极点向原点方向移动，输出级
节点向远离原点的方向移动，可以获得更宽的带宽
极零点分析
z 右半平面零点：
sz = + gm9 /(CC + CGD9 )
z 对幅频和相频特性的影 响：
ω p,E = [Rout (CE + (1 − Av2 )CC )]−1
z 极点分裂：将A点的极点向远离原点的方向移动
负反馈减小了输出阻抗
Miller补偿的极零 点分析
z 同共源放大器
RL = ro9 || ro11
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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。
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 gmb3 )
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）。
M2饱和 M4饱和
小于阈值电压
输出电压摆幅：
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
最小值可 以是0电位 PMOS共 源共栅 最大值可 以是Vdd
折叠共源 共栅尾电 流源
9
输入对 管尾电 流源
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 噪声和输出摆幅之间的折衷：
A AV 1 AV 2
总增益与共源共栅结构相当
单边输出摆幅为：
17
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。
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 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。
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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g m1,2(ro1,2 ro3,4 ) 第二级增益g m5,6(ro5,6 ro7,8 )
低频小信号增益： g (r r ) mN oN oP
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：
7
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？
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。
Av gm1{[( gm3 gmb3 )ro3 (ro1 || ro5 )]||[( gm7 gmb 7 )ro 7ro9 ]}
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！
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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。 13