低压低功耗运算放大器的设计

摘要

当今社会便携式电子产品已成为人们消费的主流，为了延长所用电池的寿命，驱使IC产品朝着低压低功耗的方向发展。同时为了提高集成度降低成本，晶体管尺寸也在不断的降低。所有这些使得电源电压变的越来越低，而晶体管的闭值电压并没有发生变化，结果对模数混合信号系统中的模拟电路设计提出了极大的挑战。

运算放大器作为大多数模拟系统中最基本模块，要求其在低压情况下具有高增益和宽带宽。为了提高增益，传统的cascode结构由于其摆幅的降低已不再适合低压设计，这样只能通过增加级联的增益级数目来达到高增益目的。但是由于出现了多个极点，使得多级放大器遭受了环路稳定性问题。因此基于米勒补偿方法，该论文里提出了有源反馈频率补偿方法，该方法不仅保证了环路的稳定性，而且出现了一个左半平面零点，增加了相位裕度，降低了补偿电容尺寸，达到了宽带宽的目的，也提高了转换速率。除此之外该论文里的运放增加了前馈增益级，这样就有效的控制了非主极点的Q值，保证了高频时补偿环路是负反馈的。同时利用前馈跨导和输出级跨导设计了AB类输出级，提高了传输效率。为了提高在低压环境下的信噪比，该论文里设计了具有恒定跨导和输出电流Rail-to-Rail输入级，这样就保证在整个共模输入范围内增益、带宽和转换速率是恒定的，同时也降低了补偿的难度。相对于内部米勒补偿方法(NMC)，该论文的补偿方法由于出现了左半平面零点，只需输出跨导和输入级跨导处于同一个数量级即可保证稳定性，而NMC却需要输出跨导远大于输入级跨导，因此该方法达到了低功耗的目的。

基于csmc0.5umCMOS工艺，利用speetre仿真工具，对所设计的运放进行了详细的仿真。结果表明:在2.5V的电源电压下，功耗为1.28mw，直流增益107dB，单位增益带宽4M以上，相位裕度68℃，输入输出实现了全摆幅，达到了预期的目标。

关键词：低压低功耗；运算放大器；Rail-to-Rail

I

Abstract

In today's society portable electronics products has become the mainstream of people consumption used to prolong battery life, drive IC products toward the direction of low-pressure low power consumption. To improve the level of integration cost reduction, transistor size is also in constant reduced. All of this makes the power supply voltage is becoming more and more low, and the transistor's closed value voltage and nothing changes of mixed signal system adc results of the analog circuit design puts forward the great challenges.

Operational amplifier as most simulation system is the most basic module, asking them at low cases has high gain .And wide bandwidth. In order to improve the gain, traditional. Ascode structure because of its place of lower no longer fit for low voltage asher .Plan, so only through cascade gain levels increased the number to achieve high gain purpose. But as presented many poles .Point, make suffered a loop multi-level amplifier stability issues. So abimelech compensation method based on the thesis puts forward .The active feedback frequency compensation method, this method not only ensure the stability of the loop, and it appeared a left brain flat .Surface zero, increased phase power margin, reduced compensation capacitor size, reached a wide bandwidth purpose, but also increased the turn change rate. Besides the papers increased the op-amp feed-forward gain level, thus effectively control the main pole .The Q value, and to ensure the high frequency compensation loop is negative when. Meanwhile feedforward transconductance and output level transconductance design.The AB, improving the level of output transmitting efficiency. In order to improve the environment in the low signal-to-noise ratio, this thesis design

A constant transconductance and output current rall a rall to the input stage, such a guarantee in the whole input common-mode range gain, bandwidth and conversion rate is constant, but also reduce the difficulty of the compensation. Relative to the internal miller compensation method (NMC), this paper due compensation method of planar zero appeared, simply left output transconductance and input level transconductance in the same order of magnitude can guarantee stability, and then the NMC but need output transconductance far outweigh the input stage, so this method transconductance reached a low power consumption purposes.

Based on sumcM0s process, use esmco. Speetre simulation tools, the design of op-amp carried on the detailed simulation. The results show that the voltage of power supply in 2.5 v, power consumption, dc gain for 1.28 mw 107dB, unity-gain bandwidth 4M above, phase margins, 68°, input/output achieved full swing, achieve the expected goal.

Key words:low voltage;low power consumption; active frequency compensation Rail-to- Rail;operational amplifier

II

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... I I 1前言.. (1)

1.1本研究的目的与意义 (1)

1.2国内外研究文献综述 (1)

1.3本研究的主要内容 (2)

2运算放大器 (4)

2.1放大器的原理 (4)

2.2运算放大器的原理 (4)

2.3理想运放和理想运放条件 (6)

3运算放大器的模块分析与设计 (8)

3.1运放的偏置电路设计 (8)

3.2低压低功耗运算放大器的输入级设计 (9)

3.3运放的增益设计 (10)

3.4运放的输出级设计 (10)

4低压低功耗运算放大器的整体设计 (13)

4.1运放的整体结构与传输函数分析 (13)

4.2运放的频率特性分析与参数设计 (17)

4.3运放的整体电路 (21)

5运算放大器的仿真与结果分析 (23)

5.1运放的直流参数仿真 (23)

5.2运放的交流参数仿真 (28)

6结论 (30)

参考文献 (31)

致谢 (32)

III

- 1 -

1前言

1.1本研究的目的与意义

近年来，随着长寿命便携式电子产品的广泛应用和高性能VLSI 系统集成的迅速发

展，低功耗设计已逐渐成为当前集成电路设计的主要考虑因素之一[1]。随着CMOS 工艺

向超深亚微米技术的发展，晶体管特征尺寸不断减小；为了保证集成电路的性能，降低功耗，减小各种寄生效应，在降低阈值电压的同时，必然要求降低芯片内部的电源电压。这极大提高了数字电路的性能和集成度：一方面，最小尺寸器件的使用大大减小了数字电路单元的面积；另一方面，由于数字电路的平均功耗与电源电压成正比，降低电源电压也就相应地减小了数字电路单元的功耗。而对于模拟电路，由于噪声和失调的限制不能使用最小尺寸器件，因此对于特征尺寸的缩小受益很少。此外，电源电压的降低迫使模拟电路单元在动态范围、电路速度等方面的性能大大降低，因而使得电路设计更加复杂化。

运算放大器是模拟电路最重要的电路单元，广泛应用于许多混合信号处理电路，如模/数、数/模转换器和开关电容等模拟电路[2]

，因此低压低功耗运算放大器的结构设计就成为设计低功耗模拟系统最基本的工作，特别是在SOC 的模拟电路中。由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在低电源电压环境下，CMOS 运算放大器的输入输出信号的动态范围大大减小[3]

。为了提高低压低功耗运放的性能，增大输入输出信号的动态范围，最好能达到整个电源电压范围，即轨到轨（Rail -to -Rail ），必须对运放的差分输入级和输出级进行改进设计。对于输入级，恒跨导的 Rail -to -Rail 设计是研究的热点，实现的方法很多：通过电流舵控制两输入对的T GS V V 之和，以此调节总跨导[4]；使尾电流的方根之和与n 沟和p 沟跨导成比例[5]

；利用偏置回路来保持尾电流平方根之和的恒定[6]

，这种方法目前应用最为广泛。而输出级多采用共源共栅或AB 类输出结构，但共源共栅结构的输出摆幅不能严格实现Rail -to -Rail ，故目前大多数紧凑式低压运放常采用后者。本文主要综合讨论了两种分别工作于弱反型区和强反型区的、利用比例电流镜控制的恒跨导Rail -to -Rail 输入级及两种AB 类控制的Rail -to -Rail 输出级的结构设计。

1.2国内外研究文献综述

近些年来，由于国外具有先进半导体制造业和雄厚的技术基础，推出了性能极佳的运算放大器。尤其是美国国家半导体公司(National Semieonduetor corporation)采用自己专有的全新VIP50工艺技术，成功的开发了在准确度、功耗及电压噪音等方面都有大幅度改善的6款运算放大器，预计这些最新开发的芯片在满足工业应用、医疗设备及汽车电子系统等产品市场需求方面没有任何问题。这几款芯片除了在上述几方面有大幅改进之

外，所采用的封装也极为小巧，因此也很适合便携式电子产品采用。我们知道在低功耗、低电压放大器设计方面美国国家半导体是领导者，并且最近该公司推出4款型号分别为LMV651、LMV791、LPV5ll及LPV72巧的全新运算放大器，其特色是增益带积达到世界的最先进水平。以12MHz单位增益带宽的LMV651放大器为例来说，这款放大器比采用了SOT及SC70封装技术的主要竞争产品节省多达90%的用电。其他的产品也各有自己的优点，其中包括低至1 A以下的电流以及高达12V的操作电压等特色。相对于国外放大器的研究程度，国内研究要逊色很多。由于没有先进半导体制造工艺提供研究平台，再加上国内微电子起步较晚，技术力量比较单薄，而CMOS低压低功耗特别是微功耗运放的研发方面才刚刚开始，结果在放大器设计方面不够理想。不过，在政府的大力支持下，再借助于国外的成功经验，国内的微电子产业正以飞快的速度追赶国外。

1.3本研究的主要内容

本文是针对运算放大器的低压低功耗方面进行了分析与研究，主要对低压运放Rail-to-Rail输入级的恒定跨导和转换速率、有源频率补偿、前馈增益级和AB类输出级四个关键技术进行了研究。本文的研究工作主要有以下几方面:

l)带有恒定跨导和转换速率的Rail-to-Rail输入级设计

由于电源电压的降低，使得共模输入范围变的很小，不适合大多数电路的应用。而通常设计出来的Rail-to-Rail输入级，不能实现恒定的跨导和转换速率，使得增益在整个共模输入范围内是可变的，同时对电路的补偿带来了极大的困难。因此，在该论文里应用了新的输入级电路结构，不仅具有Rail-to-Rail的输入共模范围，而且也实现了恒定的跨导和转换速率。

2)三级放大器的频率补偿设计

对于三级放大器，最可能出问题的地方就是频率补偿。相对于内部米勒补偿，这里使用了有源反馈频率补偿，减小了补偿电容的尺寸，使得单位增益频率得到很大的改进。该方法不仅消除了内部米勒补偿的右半平面零点，而且也产生一个左半平面零点，提高了相位裕度。这样就降低了输出跨导，节约了功耗。

3)前馈增益级和AB类输出级

该运放是用三级放大器来实现的，由于级数越多，其速度越慢，并且在高频时补偿电容相当于短路，容易形成正反馈环路。于是在该运放里应用了前馈增益级使得在高频时信号从前馈增益级通过，不仅解决了速度问题，而且避免了正反馈环路的出现。除此之外，巧妙的利用前馈增益级和A类输出级设计了AB类输出级，提高了运放的驱动能力。

本论文内容安排如下:

- 2 -

第一章论述了课题的研究背景与意义，对运放的发展、应用及国内外研究现状做了简要的介绍，同时对论文的内容进行了安排。

第二章简要的论述了运放理论设计的基础知识，同时对运放各种性能指标和基本的结构框架进行了简单的介绍。

第三章对运放的偏置电路、Rail-to-Rail输入级电路、增益级和各种输出级电路进行了详细的分析与设计，对比了各种设计结构，最终提出了本论文的电路结构。

第四章对运放的整体电路进行了幅频特性分析。从运放的小信号等效电路到传输函数计算，再对电路的稳定性和频率补偿进行了详细的分析。然后根据三阶butterworth多项式，设计了运放的各个参数。最后，简要的介绍了运放的版图设计。

第五章仿真了运放的各个性能参数，并对仿真结果进行了简要的分析。最后阐述了针对不同的应用场合，运放所需电源电压也可以有所改变，并仿真了主要性能指标参数。

第六章对自己论文期间所做的工作进行了总结。

- 3 -

2运算放大器

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。

2.1放大器的原理

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。

2.2运算放大器的原理

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见图2.1一个

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2.1 运算放大器

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。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈（positive feedback），相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

- 4 -

-

5 -

2.2.1开环回路

图2.2 开环运算放大器

开环回路运算放大器如图 2.2，一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：

()Aog v v V out *-+= (2-1)

其中Aog 代表运算放大器的开环回路差动增益由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯号饱和，导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器，比较器的输出通常为逻辑准位元的0与1。

2.2.2闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点又可分为反相（inverting ）放大器与非反相（non-inverting ）放大器两种。 反相闭环放大器见图 2.3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地（virtual ground ），其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = -(Rf / Rin) * Vin (

2-2)

图2.3反相闭环放大器

非反相闭环放大器如图2.4闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin （2-3）

- 6 -

图2.4非反相闭环放大器

2.3理想运放和理想运放条件

在分析和综合运放应用电路时，大多数情况下，可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放的技术指标比较接近理想运放，因此由理想化带来的误差非常小，在一般的工程计算中可以忽略。

理想运放各项技术指标具体如下：

1．开环差模电压放大倍数Aod = ∞；

2．输入电阻Rid = ∞；输出电阻R od =0

3．输入偏置电流I B1=I B2=0；

4．失调电压UIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂

、失调电流温漂DT 均为零；

5．共模抑制比CMRR = ∞；

6．-3dB 带宽fh = ∞ ；

7．无内部干扰和噪声。

实际运放的参数达到如下水平即可以按理想运放对待：电压放大倍数达到104～105倍；输入电阻达到105Ω；输出电阻小于几百欧姆； 外电路中的电流远大于偏置电流；失调电压、失调电流及其温漂很小，造成电路的漂移在允许范围之内，电路的稳定性符合要求即可；输入最小信号时，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB ；带宽符合电路带宽要求即可。 运算放大器中的虚短和虚断含意 理想运放工作在线性区时可以得出二条重要的结论： 2.3.1虚短

因为理想运放的电压放大倍数很大，而运放工作在线性区，是一个线性放大电路，输出电压不超出线性范围（即有限值），所以，运算放大器同相输入端与反相输入端的电位十分接近相等。在运放供电电压为±15V 时，输出的最大值一般在10～13Ｖ。所以运放两输入端的电压差，在1mV 以下，近似两输入端短路。这一特性称为虚短，显然这不是真正的短路，只是分析电路时在允许误差范围之内的合理近似。

2.3.2虚断

由于运放的输入电阻一般都在几百千欧以上，流入运放同相输入端和反相输入端中的电流十分微小，比外电路中的电流小几个数量级，流入运放的电流往往可以忽略，这相当运放的输入端开路，这一特性称为虚断。显然，运放的输入端不能真正开路。

运用“虚短”、“虚断”这两个概念，在分析运放线性应用电路时，可以简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均要求输入与输出之间满足一定的函数关系，因此均可应用这两条结论。如果运放不在线性区工作，也就没有“虚短”、“虚断”的特性。如果测量运放两输入端的电位，达到几毫伏以上，往往该运放不在线性区工作，或者已经损坏。

- 7 -

- 8 -

3运算放大器的模块分析与设计

设计一个比较理想的运算放大器，首先是根据所要求的性能指标，来选择适合自己的电路模块，这些模块必须从宏观理论上可以实现性能指标的要求。而近些年来随着CMOS 工艺的不断改进，集成度越来越高，出于成本原因直接在芯片集成了一个系统(SOC )。但是由于晶体管的尺寸不断的降低，为了防止击穿，使得电源电压也不断的降低，结果运放的共模输入电压范围变得越来越小，不在适合广大反馈系统的使用，于是在输入级必须扩大共模输入电压范围，实现Rail -to -Rail 。在增益级方面，以前可以实现高增益的ascode 结构不再适用，只能通过减小叠加的晶体管层数来达到低压设计的目的，但是这样做意味着增益也就降低了。而一般通用的运放其增益需要在IOOdB 左右，结果原有的二级放大器增益不能达到这个指标，于是需要再级联一个增益级才能够满足所需求的增益。但是也带来了一个多余的极点，使得相位裕度变得很恶劣。为了提高驱动能力和传输效率，在输出级选用了AB 类结构。

3.1运放的偏置电路

对于偏置电路设计的好坏，直接关系到运放在不同的条件下能否进行正常的工作。而偏置电路的设计往往要考虑到所需偏置的主体电路，这样即使在流片的过程中工艺发生了偏移，而偏置电路也能跟随着主体电路发生一致性的偏移，降低电路偏置失效的可能性。

偏置压电路采用了PN 结导通电压BE V 作为基准电压来偏置通过电阻的电流，在CMOS 工艺中，PNP 晶体管是利用衬底、N 阱和P 阱注入来产生的。由于晶体管Mbl 、Mb3和Mb4、Mb5组成了1:1的电流镜，形成一个反馈电路，这样驱使流过电阻的电流和流过三极管Ql 的电流是相等的，于是就可得出提供的基准电流为

R V I BE ref =。但是这样实现的偏置电路需要比较高的电源电压

Vsat V V VDD th BE ++≥，但是我们知道对于NMOS 晶体管工作在饱和区的条件是DS thn GS V V V ≤-，于是为了降低电源电，电流镜

Mb4、Mb5采用低电压的结构，二极管连接的晶体管Mbs 在栅和漏之间加入了一个衬底三极管Q0的BE V ，Q0集电极必须接地，因为集电极是由衬底实现的，由于

thn BE V V ≤，那么Mb5的漏极比栅极低了一个BE V ，但是还是工作在饱和区。在这种条件下，在很低电源电压就能够确保偏置电路正常的工作。这种偏置电路所产生的偏置基准电流的温度系数较大，因为PN 结的温度系数℃mV 2-。在二极管连接的晶体管Mbl 中通过了基

- 9 -

准电流ref I ，于是根据电流镜的工作原理，可得通过Mb6的电流也是基准电流，这样我们就给主电路的N 型电流源提供了偏置电压n V ，同时Mb9给主电路的P 型电流源提供了偏置电压b V 。

由于在运放的增益级含有一个cascode 结构，这样就需要两个偏置1b V 和2b V 。这些偏置电压主要是通过晶体管Mbl0-Mbl4来实现，Mb13的栅极连到了Mbl2的漏，这种连接方式降低了所需求电源电压。要想使Mb13和Mbl2分别工作在饱和区，须满足条件21b thn b V V V <-和thn b thn b V V V V -≤-12。综合后可得thn b b b V V V V +≤≤212，因此根据增益级所需的偏置电压，可分别求出1b V ，和2b V 的电压范围。要想满足以上的条件，相对于Mb12的宽长比Mbll 要小一些。由于运放可能运作各种瞬态情况下，为了减小各种翻转信号的干扰，于是另外添加了一个电流镜来提供偏置电压。运放的输入级是用来检测差分输入电压信号，整个过程容易受到各种信号的干扰，如噪声、共模串扰和本身固有的一些失调。同时由于电源电压的不断降低而引起共模输入范围也不断的降低，降低了信噪比，结果使得运放输入级的设计必须致力于低压并且能够实现Rail -to -Rail 。我们知道，电源电压的降低实质是降低了共模输入范围

3.2低压低功耗运算放大器的输入级设计

运算放大器的输入级是运放的重要组成部分，其主要作用是放大输入的差分信号，同时有效抑制共模信号。共模输入范围是运放输入级的一个重要参数。当输入共模电压在此范围内，即使输入很小的差分信号，输入级都能正常工作。因此，在设计运放输入级时应主要考虑使共模输入电压保持在共模输入范围内。此外，运放的其它重要性能参数如输入相关噪声、失调和共模抑制比等也都是由输入级决定的。

通常，运算放大器的输入级均采用匹配性能好，失调、温漂很小的差分放大电路。其典型结构为P 沟输入对管 M1-M2，或N 沟输入对管 M3-M4

对P 沟差分对来说，共模输入电压范围为: sgp dsat D D com m on SS V V V V V --≤≤ (3-1) 其中，common V 为共模输入电压，sgp V 为P 管的栅源电压，dsat V 为电流源两端正电SS V 为负电源。对N 沟差分对来说，其共模输入电压范围为：

D D com m on dsat ss V V V V V ≤≤++sgn (3-2)

一个电源电极。因此，这一结构仅适用于共模输入范围较小的放大器，如反相放大器。而很多大摆幅的放大器，如电压跟随器，要求共模输入范围尽可能的大，最好达到Rail -to -Rail 。特别在低电压情况下，运放输入级的共模输入范围通常要求共模信号在整个电源范围内变化时电路都能正常工作，这就要采用N 管和P 管并联的互补差分对结构，

- 10 -

其共模输入范围为：

D D com mon ss V V V ≤≤ （3-3）

从而实现了输入级的 Rail -to -Rail 。

为了保证共模输入范围达到 Rail -to -Rail ，其最小电源电压为：

dsat sgp V V V V 2sgn min .sup ++= （3-4） 当电源电压大于最小电源电压时，共模输入范围可分为三部分：当共模输入电压接近负电源时，仅P 沟输入对导通；当共模输入电压处于中间值时，P 沟和N 沟输入对均导通；当共模输入电压接近正电源时，仅N 沟输入对导通。而当电源电压小于最小电源电压时，会在共模输入电压范围的中间部分出现断层。为了保证 Rail -to -Rail 输入结构的性能，常用折叠共源共栅代替电流镜作互补输入对的负载。

Rail -to -Rail 结构的一个主要缺点是其跨导会在整个共模输入范围内变化接近一倍若将其运用于带有反馈回路的运放中，其环路增益也变化近一倍，必将引起失真的增大。当输入级跨导增大一倍，则单位增益频率增大一倍，从而导致相位裕度减小，运放稳定性变差，因此跨导变化也使频率补偿变得十分困难。若输出管偏置在强反型区，则共模输入电压在中间值时输出管的工作电流为其在两极值时的四倍。通常，输出管的工作电流很大程度上决定了运放的总电流，从而决定了总功耗。所以放大器的实际功耗将是两极值时的四倍。因此，为克服 Rail -to -Rail 结构的这些缺点，其跨导应保持不变。

3.3运放的增益设计

在该论文里设计的运放为了能够在低压条件下具有比较大的开环增益，由于输出级是AB 类，它的增益是很小的，所以通过级联三级放大器来实现。为了使补偿环路是负反馈的，中间增益级必须是同向放大器，如同输出级一样，还必须是单端的。但是，单晶体管实现的放大器总是反向的，不能用来设计三级放大器的第二级，否则通过补偿电容提供了正反馈环路。有两种方法可以实现同向放大器，一种方法是采用一级差分放大器结构，另一种结构是采用电流镜结构。如果所有晶体管通过了相等的DC 电流，那么这两种结构功耗是一样的。因此，对于这两种结构，唯一不同的就是哪个能够获得更好的频率特性。这样同向增益级就可以产生很高的非主极点，对整个运放稳定性不会造成影响。对于两种不同结构的同向增益级电路，在低频的时候没有什么区别。但是在高频时，差分对结构相对于电流镜结构就呈现了低的极点。在A 点处，利用PMOS 做的电流镜，我们知道和NMOS 电流镜相比要想流过相等的电流，PMOS 的尺寸至少是NMOS 的两倍，因此在A 点就产生了大于B 点处的寄生电容，使得A 点处极点低于B 点处的极点。因此就高频时的性能而言，该论文里选择电流镜结构来实现同向增益级。

3.4运放的输出级设计

运放输出级的主要目的是在允许失真范围内给负载传送一定的信号功率。在低压、

- 11 -

低功耗环境下，可通过有效地利用电源电压和工作电流来达到上述目的。为此，输出电压范围应尽可能大，最好能达到 Rail -to -Rail 。因此，输出管一般接成共源级结构。

为了有效利用电源功率和工作电流，输出级应在较低的静态电流下有较大的输出电流。B 类偏置的输出级在静态电流接近于0时有较大的输出电流，且 Rail -to -Rail B 类输出级的有效功率是Rail -to -Rail 输出正弦波的 75%，因此B 类偏置对于低压低功耗的要求十分理想。但其缺点是引入了较大的交越失真。而使用A 类偏置可使这一失真达到最小。但A 类偏置输出级的最大输出电流与静态电流相等，这使其有效功率仅为 Rail -to -Rail 输出正弦波的25%。因此从功率角度考虑，A 类偏置很不实用。折衷考虑失真和静态功耗，输出级应偏置于A 类和B 类之间，称为AB 类偏置。AB 类偏置有较小的静态输出电流，因此相对于B 类偏置减小了交越失真，且其最大输出电流比其静态电流要大的多，因此其有效功率比A 类偏置高得多不传送输出电流的输出管偏置于最小电流。这一小电流阻止了无源输出管的开启延迟，从而也减小了交越失真。

下面将讨论适用于低压环境下运放的 AB 类前馈式控制电路：

在 Rail -to -Rail 输出级中，AB 类传输函数可通过保持输出管栅极间电压恒定来实现。用晶体管耦合的直接前馈通路实现的AB 类前馈式输出如图3.1所示。M1、M5为 Rai l-to -Rail 输出管，M4、M8组成晶体管耦合的AB 类控制电路。I im1和I im2为同相位的小信号电流源。电路中的两个回路M1-M4和M5-M8控制输出管的静态电流。采用 M4

、M8固定输出管栅极间电压，比采用电阻更节省电路面积，同时降低了该栅极间电压对电源、工艺的敏感性。

图3.1晶体管耦合前馈式AB 类控制的Rail -to -Rail 输出级

静态条件下，电流 2B I 平均分给 M4和 M8。为补偿体效应的影响，分别调节 M7-M8和 M3-M4，使它们分别具有相等的栅源电压，则 M5-M6和 M1-M2的栅源电压也分别相等，可计算出输出管的静态电流为:

- 12 - 16

5B P I L W L W I ???? ????? ??= (3-5) 设1B I 和4B I 相等，且管子尺寸满足下式关系：

4

8372615??? ????? ??=??? ????? ??=??? ????? ??=??? ????? ??L W L W L W L W L W L W L W L W (3-6) 若输出级处于强反型区，则推、拉电流间的关系为：

()()2P push I I ?-α+()()2P pull I I ?-α=27??? ??W L ?6

??? ??L W P I ? (3-7) 其中： L L W 17

6??? ?????? ??+=W α (3-8) 推、拉电流遵循式直到其中任一电流值超过：

P I I ?=2max α (3-9)

若推电流超出max I ，M4关闭，整个偏置电流2B I 都将流过 M8。则流过输出管 M5的电流为最小值。此最小值可由式（9）得到：

()()q I I ?--=2

min 12αα （3-10）

若推电流或拉电流变大，流过输出管的电流为最小值0.5q I 。

无论强反型区或弱反型区，在任一输出管将 M4或 M8推出饱和区之前，AB 类控制电路都能正常工作。该输出级的最小电源电压等于两重栅源电压和一个饱和电压之和，因此适用于低压运放。晶体管耦合的 AB 类控制电路的优点是，几乎不会增加输出级的功耗。另外，由于它只用晶体管实现栅极间耦合，因此具有良好的高频特性。仅驱动一个输出管的栅极时，这一点是有用的，此时信号仅通过一个 AB 类管来驱动另一栅极。

TLC2652高精度放大器·优选.

TLC2652高精度放大器 一、引言 二、在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用了， 因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。固然输入失调电压 可以被调零，但其漂移则是难以消除的。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放 大问题的廉价方案。 TLC2652和TLC2652A是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影 响被降低到了最小，TLC2652非常适合用于微信号的放大。 二、TLC2652的内部结构 图一、TLC2652的功能框图 下面对TLC2652的内部功能单元作一简单介绍： 1、主放大器。它与一般的运算放大器不同之处在于，它有三个输入端。除引出芯片外部的同相和反相输入 端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。 2、校零放大器。它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。

3、时钟和开关电路。内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。在14和20引脚的芯 片中时钟信号还可从外部引入。 4、补偿网络。它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。在TLC2652中，电路的高频响应主要由主放大器决 定。 5、箝位电路（CLAMP）。它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1V时动作的开关，把CLAMP与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。 三、斩波稳零的工作原理 图二、TLC2652的简化框图 TLC2652芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期：校零周期和放大周期。主放大器一直与电路的输入端和输出端相连，而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。 在校零周期内，开关A闭合，使校零放大器的两个输入端短路，通过自身的反馈，校零放大器的失调电压被减到最小。同时，外接记忆电容CXA 中储存了这一失调电压，使校零放大器在放大周期内仍保持校零。 在放大周期内，开关B闭合，把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来，使主放大器被校零。 同时，外接记忆电容CXB 中储存了校零电压，使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。 在TLC2652中，内部时钟使放大器以450Hz的频率校零。在这种连续校零的机制下，失调 电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。 由于低频信号经过两个放大器放大，电路可以获得极高的增益，这在需要精密高增益放大的 电路中是十分有用的。由于使用了LinCMOS工艺和低噪声的MOSFET，输入噪声被大大减 小。 四、TLC2652的主要技术性能

精心收集：单电源供电时的运算放大器应用大全

单电源运算放大器应用集锦 (一)：基础知识 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC－，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V 也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC －引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail 的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail 的电压。虽然器件被指明是轨至轨(Rail－To－Rail)的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。

运算放大器组成的各种实用电路

运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，是模拟电路中学习的重点。在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。为此本人特搜罗天下运放电路之应用，来个“庖丁解牛”，希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所斩获。 遍观所有模拟电子技朮的书籍和课程，在介绍运算放大器电路的时候，无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器，然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下，他们就找不着北了！偶曾经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错的没有超过10个人！其它专业毕业的更是可想而知了。 今天，芯片级维修教各位战无不胜的两招，这两招在所有运放电路的教材里都写得明白，就是“虚短”和“虚断”，不过要把它运用得出神入化，就要有较深厚的功底了。 虚短和虚断的概念 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。 好了，让我们抓过两把“板斧”------“虚短”和“虚断”，开始“庖丁解牛”了。 (原文件名:1.jpg)

(整理)运算放大器基本电路大全

运算放大器基本电路大全 运算放大器电路大全 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一

LD27L2-超低功耗运算放大器

LD27L2 双通道精密运算放大电路 1、概述 LD27L2是一款有极低失调电压、高输入阻抗、轨对轨的运算放大器电路。主要应用于各种需要使用精密运算放大器的领域，其特点如下： z极低的输入失调电压，典型条件下小于1mV； z超低功耗，静态工作电流小于3uA z宽电压工作范围，1.8V~6.0V z高输入阻抗，典型为1013Ω； z超低的失调点偏移 z单位增益带宽14KHz z封装形式：SOP8 2、功能框图与引脚说明 2. 1、功能框图

2. 2、引脚排列图 2. 3、引脚说明与结构原理图 序号管脚名功能描述 1 OUT1 运放1的输出端 2 IN1‐ 运放1的反向输入端 3 IN1+ 运放1的正向输入端 4 GND 电源地 5 IN2+ 运放2的正向输入端 6 IN2‐ 运放2的反向输入端 7 OUT2 运放2的输出端 8 VDD 电源输入端

3、电特性 3. 1、极限参数 参 数 名 称 符 号 额 定 值 单 位 最大电源电压 IVsmax 6 V 输入电压范围 V I GND-0.3~VDD V 差分输入电压 VDD-GND V 工作环境温度 T amb -40~+85 ℃ 贮存温度 T stg -55~+125 ℃ 3. 2、电特性（VDD=2.2~5V ，T A =25℃） 参 数 名 称 符 号 测 试 条 件规 范 值 单 位最小 典型最大 工作电压 V DD 1.8 - 6.0 V 静态工作电流 I DD - 0.8 3 uA 输入失调电压 V OS - 1 2 mV 输入失调温度系数 -40℃~+85℃ - 1.3 - uV/℃电源抑制 V PSRR - 85 90 dB 输入偏置电流 I B - 1 - pA 输入失调电流 I OS - 1 - pA 共模输入阻抗 Z CM - 1013- Ω 差模输入阻抗 Z DIFF - 1013- Ω 共模输入电压 V CMR GND-0.3- VDD+0.3 V 共模抑制比 CMRR VDD=5V 60 90 - dB 单位增益带宽 B I VI=10mV 14 KHz 输出短路电流 I SC VDD=2.2V - 3 - mA VDD=5V - 20 - mA

第5章运算放大电路答案

习题答案 5.1 在题图5.1所示的电路中，已知晶体管V 1、V 2的特性相同，V U on BE 7.0,20)(==β。求 1CQ I 、1CEQ U 、2CQ I 和2CEQ U 。 解：由图5.1可知： BQ CQ BQ )on (BE CC I I R R I U U 213 1 1+=--即 11CQ11.01.4 2.7k 20I -7V .0-V 10CQ CQ I I k +=Ω Ω ? 由上式可解得1CQ I mA 2≈ 2CQ I mA I CQ 21== 而 1CEQ U =0.98V 4.1V 0.2)(2-V 1031=?+=+-R )I I (U BQ CQ CC 2CEQ U =5V 2.5V 2-V 1042=?=-R I U CQ CC 5.2 电路如题图5.2所示，试求各支路电流值。设各晶体管701.U ,)on (BE =>>βV 。 U CC (10V) V 1 R 3 题图5.1

解：图5.2是具有基极补偿的多电流源电路。先求参考电流R I ， ()815 17 0266..I R =+?---=（mA ） 则 8.15==R I I （mA ） 9.0105 3== R I I （mA ） 5.425 4==R I I （mA ） 5.3 差放电路如题图5.3所示。设各管特性一致，V U on BE 7.0)(=。试问当R 为何值时，可满足图中所要求的电流关系？ 解： 53010 7 0643..I I C C =-==（mA ） 则 I 56V 题图 5.2 R U o 题图5.3

2702 1 476521.I I I I I I C C C C C C == ==== mA 即 2707 065.R .I C =-= （mA ） 所以 61927 07 06...R =-= （k Ω） 5.4 对称差动放大电路如题图5.1所示。已知晶体管1T 和2T 的50=β，并设 U BE (on )=0.7V,r bb ’=0,r ce =。 (1)求V 1和V 2的静态集电极电流I CQ 、U CQ 和晶体管的输入电阻r b’e 。 (2)求双端输出时的差模电压增益A ud ，差模输入电阻R id 和差模输出电阻R od 。 (3)若R L 接V 2集电极的一端改接地时，求差模电压增益A ud (单),共模电压增益A uc 和共模抑制比K CMR ,任一输入端输入的共模输入电阻R ic ,任一输出端呈现的共模输出电阻R oc 。 (4) 确定电路最大输入共模电压围。 解:(1)因为电路对称，所以 mA ...R R .U I I I B E EE EE Q C Q C 52050 21527 062270221=+?-=+?-== = + V 1 V 2 + U CC u i1 u i2R C 5.1k ΩR L U o 5.1kΩ R C 5.1k Ω R E 5.1k Ω -6V R B 2k Ω 题图5.1 R B 2k Ω + － R L /2 + 2U od /2 + U id /2 R C R B V 1 (b) + U ic R C R B V 1 (c) 2R EE + U

运算放大器的电路仿真设计

运算放大器的电路仿真设计 一、电路课程设计目的 错误!深入理解运算放大器电路模型,了解典型运算放大器的功能,并仿真实现它的功能; 错误!掌握理想运算放大器的特点及分析方法(主要运用节点电压法分析）； ○3熟悉掌握Muｌtisiｍ软件。 二、实验原理说明 （1）运算放大器是一种体积很小的集成电路元件,它包括输入端和输出端。它的类型包括:反向比例放大器、加法器、积分器、微分器、电 压跟随器、电源变换器等. （2） (３)理想运放的特点:根据理想运放的特点,可以得到两条原则： (a）“虚断”:由于理想运放,故输入端口的电流约为零，可近似视为断路,称为“虚断”。 （b)“虚短”:由于理想运放Ａ,，即两输入端间电压约为零,可近似视为短路,称为“虚短”. 已知下图，求输出电压。

理论分析: 由题意可得:(列节点方程) 011(1)822A U U +-= 0111 ()0422 B U U +-= A B U U = 解得: 三、 电路设计内容与步骤 如上图所示设计仿真电路. 仿真电路图：

V18mV R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 0.016 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 0.011 V + - 根据电压表的读数,， 与理论结果相同． 但在试验中，要注意把电压调成毫伏级别，否则结果误差会很大, 致结果没有任何意义。如图所示,电压单位为伏时的仿真结 果:V18 V R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 6.458 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 4.305 V + - ，与理论结果相差甚远。 四、 实验注意事项 1)注意仿真中的运算放大器一般是上正下负,而我们常见的运放是上负下正,在仿真过程中要注意。

AD系列高精度低功耗放大器

为了延长电池寿命，放大器必须提供非常低的待机功耗工作方式、低电压工作和满电源摆幅(R-R)输出能力。便携式应用设计工程师，尤其是医用设备市场中的设计工程师，都在承受着低成本和延长电池寿命同时不牺牲精度的持续压力。美国模拟器件公司(ADI)公司的最新放大器为业界提供高精度、低功耗、小尺寸和低价格的最完美的结合。 ADI日前发布一系列低成本放大器，它们在低电压和最低功耗条件下工作，但是不牺牲需要精密信号调理的便携式应用所要求的精度。ADI此次推出的产品包括： 自稳零放大器：AD8538在当今市场的自稳零放大器中具有业界最佳的精度功耗比，所以适合用于要求低失调电压以及低失调电压时间漂移和温度漂移的信号路径。 精密运算放大器：AD8613系列运算放大器提供业界低噪声、低功耗、低电压和低价格的最完美结合。 “降低成本并且延长电池寿命――而不牺牲精度――是便携式医用应用设计工程师所面临的最大难题。”ADI公司精密信号处理部产品线总监Steve Sockolov先生说。这些新的放大器扩展了我们的产品种类，并且满足了对提供适合便携式医用设备精度的低电压放大器不断增长的需求。最新自稳零放大器适合高端便携式医用设备设计，并且低噪声运算放大器系列产品为从双节电池到多节电池供电设备的模拟前端提供了一个低成本解决方案。 AD8538仅需要150μA的电源电流，所以其低温漂是同类器件的1/3――相当于需要1mA 以上电源电流的产品所能达到的温漂性能水平。AD8538的低功耗和高精度性能使其很适合于很多市场，例如医用设备、压力传感器和温度传感器以及汽车电子设备。 AD8538的失调漂移仅为0.01μV/°C，在低电源电流条件下提供业界最低的失调漂移。与延缓新产品面世时间并且需要比较复杂和费用高的硬件和软件――分立的系统级自动校准方法相比，AD8538为设计工程师节省了大量的成本和时间。这款器件卓越的精度――最大1 2μV的失调和仅为1μVp-p的低频噪声――能够完成高精度和稳定的系统设计，没有使用需要外部自动校准解决方案带来的成本、尺寸和复杂性问题。 AD8613，AD8617和AD8619分别是具有R-R输入和输出特性的单运算放大器、双运算放大器和四运算放大器。与同类器件相比，它们提供降低了50%的噪声和降低了30%的功耗并且提高了两倍的精度。AD861x系列完全保证电源电压降低到1.8V正常工作，使其适合电池供电设备，例如温度监测器和二氧化碳检测器，这里电源管理和可靠性是至关重要的。 AD8613系列器件仅需38μA的电源电流最大值和1.8V～5V的工作电压。这些器件在消费类医用设备和低成本工业应用中达到高精密度水平，具有仅为2mV最大值的低失调电压、1pA最大值的超低输入偏置电流，以及22nV/√Hz的低噪声。AD8613系列很适合要求在整个信号通路中放大并维持低噪声的便携式应用。其R-R输出特性使其适合在低功耗12位和16位应用中驱动模数转换器(ADC)和缓冲数模转换器(DAC)。

单电源运放电路图集

单电源运放图集 前言 前段时间去福州出差，看到TI的《A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection》这篇文章，觉得不错，就把它翻译了过来，希望能对大家有点用处。这篇文章没有介绍过多的理论知识，想要深究的话还得找其他的文章，比如象这里提到过的《Op Amps for Everyone》。我的E文不好，在这里要感谢《金山词霸》。 ^_^ 水平有限（不是客气，呵呵），如果你发现什么问题请一定指出，先谢谢大家了。 E－mail：wz_carbon@https://www.sodocs.net/doc/a417419607.html, 王桢 10月29日

介绍 我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1． 1电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC＋和VCC －，但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限V om以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路（图一中右）运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC＋，地或者VCC－引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在V om之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明V oh和V ol。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。（参见1.3节） 图一 通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail－To－Rail的电压。虽然器件被指明是Rail－To －Rail的，如果运放的输出或者输入不支持Rail－To－Rail，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail－To－Rail。这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务。1. 2虚地

精密低功耗仪表放大器INA118及其应用

-14- 《国外电子元器件》2000年第6期2000年6月 图1INA118的内部电路 图2 INA118的引脚排列 精密低功耗仪表放大器INA118及其应用 信息产业部电子六所 杨昌金北京联合大学机电工程学院 王涛 Precision And Lo w Po wer Instrument Am p l if ier INA118 Yan g Chan gj in Wan g Tao 摘要:INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放大器,它在内部集成了输入保护电路,其增益可由外部可调增益电阻R g 进行调节。本文介绍了INA118的原理、特性及应用电路。关键词:共模抑制;频带宽度;增益;轨至轨;INA118分类号:TN 722文献标识码:B 文章编号:1006-6977(2000)06- 0014- 02 ●新特器件应用 1.概述 INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放 大器系列中的一种,它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点,适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度(G =100时带宽为70k Hz )。 INA118由三个运算放大器组成差分放大结构,其内部电路如图1所示。内置输入过压保护,且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(从1 到1000),因而应用范围很广。 2.引脚图及引脚功能 INA118的引脚排列如图2所示。各引脚的功 能说明如表1所列。 3.电气参数 INA118的主要参数如下: ●最大偏移电压:50μV ;●最大温漂:0.5μV /℃;●最大输入基极电流:5nA ; ●最小共模抑制比:110dB ; ●输入过压保护电压:±40V ;●电源电压:±1.35V ～±18V ;●溃散电流:350μA ;●带宽:单位增益时为800k Hz ;●稳定时间:单位增益时为25μs ;●过载恢复时间:20μs ;●工作温度范围:-40℃～85℃;●封装形式:8脚D IP 或SO 。 4.工作原理 INA118由于内含输入保护电路,因此,如果输 入过载,保护电路将把 输入电流限制在1.5到5mA 的安全范围内,以保证后续电路的安全。 此外,输入保护电路还 能在无电源供电的情况

运算放大器。ic设计

IC课程设计论文题目：运算放大器电路的设计

2012/1/5 摘要 本次课程设计主要内容为：利用MOS管设计一个运算放大器。放大器具有放大小信号并抑制共模信号的功能。首先从放大器理论参数及结构下手，然后经过Hspice网表的生成及仿真调整最后得到满足参数要求的MOS管设定。 关键词：运算放大器，共模电压，电压摆幅，功耗电流 Hspice仿真，增益带宽

ABSTRACT The main content of course design for: use the design a MOS operational amplifier. Amplifier has put size and control signal common mode signal function. Starting from the first amplifier parameters and structure theory laid a hand on him, and then after the formation of the Hspice nets table and adjust the final simulation parameters of the requirements to meet the MOS set. K eywords: operational amplifier ，common-mode voltage ，voltage swing current consumption ，Hspice simulation ，Gain bandwidth

测量放大器.

测量放大器 摘要：放大器是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。了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。通常，测量放大器多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能指标，但不便于实现增益的预置与数字控制，同时价格较高。为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。提高了测量放大器的性能指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。 本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求.。测量放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调已实现对比较大的范围的被测信号的测量。 测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大。 2.1设计任务

设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号V I取自桥式测量电路的输出。当R1＝R2＝R3＝R4时，V I＝0。R2改变时，产生V I≠0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。 2.2测量放大器的设计 2.2.1 设计内容及要求 a. 差模电压放大倍数A VD＝1～500，可手动调节； b. 最大输出电压为± 10V，非线性误差< 0.5％； c. 在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比K CMR >105 ； d. 在A VD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V； e. 通频带0～10Hz 2.2.2设计原理 原理概述: 放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥.流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。 测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。

LM324四运放集成电路图文详解

LM324四运放集成电路图文详解 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。 图 1 图 2 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用， 价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。下面介绍其应用实例。 1.反相交流放大器 电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大 等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是 消振电容。 放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。

2.同相交流放大器 见附图。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。 电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。 3.交流信号三分配放大器 此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai 输入电阻高，运放 A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时 Rf=0 的情况，故各放大器电压放大倍数均为 1 ，与分立元件组成的射极跟随器作用相同 R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同

聚洵低功耗运算放大器GS8551 GS8552 GS8554

描述： GS8551/GS8552/GS8554放大器是单/双/四电源，微功耗，零漂移CMOS运算放大器，这些放大器提供1.8MHz的带宽，轨至轨输入和输出以及1.8V至5.5V的单电源供电。 GS855X使用斩波稳定技术来提供非常低的失调电压（最大值小于5μV），并且在整个温度范围内漂移接近零。每个放大器的静态电源电流低至180μA，输入偏置电流极低，仅为20pA，因此该器件是低失调，低功耗和高阻抗应用的理想选择。 GS855X提供了出色的CMRR，而没有与传统的互补输入级相关的分频器。该设计为驱动模数转换器带来了卓越的性能 转换器（ADC），而不会降低差分线性度。 GS8551提供SOT23-5和SOP-8封装。 GS8552提供MSOP-8和SOP-8封装。GS8554 Quad具有绿色SOP-14和TSSOP-14封装。在所有电源电压下，-45oC至+ 125oC的扩展温度范围提供了额外的设计灵活性。 特点： + 1.8V?+ 5.5V单电源供电?嵌入式RF抗EMI滤波器 ?轨到轨输入/输出?小型封装： ?增益带宽乘积：1.8MHz（典型@ 25°C）GS8551采用SOT23-5和SOP-8封装?低输入偏置电流：20pA（典型值@ 25°C）GS8552采用MSOP-8和SOP-8封装?低失调电压：30μV（最大@ 25°C）GS8554采用SOP-14和TSSOP-14封装?静态电流：每个放大器180μA（典型值） ?工作温度：-45°C?+ 125°C ?零漂移：0.03μV / oC（典型值） 应用： 换能器应用 ?手持测试设备 ?温度测量 ?电池供电的仪器 ?电子秤

集成运算放大器

成绩评定表

课程设计任务书

摘要 本设计是根据要求进行的集成运算放大器的设计，用Protel软件设计实验电路，并绘制出PCB电路板，根据电路图对设计进行制作，最后进行调试测试。通过对Protel软件的学习与应用，加深对相关原理的理解，并对protel软件有初步的认识和一定的操作能力，为后续相关课程和相关软件的学习与应用打下坚实的基础。并根据通信电子线路所学的知识，掌握电路设计，熟悉电路的制作，运用所学理论和方法进行一次综合性设计训练，从而培养独立分析问题和解决问题的能力。根据相关课题的具体要求，按照指导老师的指导，进行具体项目的设计，提高自己的动手能力和综合水平。 本设计采用LM324芯片，它是一个四运算放大器的基本电路，在四运算放大器电路中起到了至关重要的作用。通过LM324芯片与其他相关电子元件的组合，画出调制与解调电路图，并完成PCB电路的绘制，完成课题的设计，可以算是对自我综合能力的一次有益尝试。 关键字：Protel、PCB、LM324、四运算放大器

目录 1 Protel的简要介绍 (5) 1.1 Protel的发展历史 (5) 1.2 Protel99SE简介 (5) 2 设计任务及要求 (6) 2.1设计任务 (6) 2.2设计要求 (6) 3 电路原理介绍 (7) 3.1 反向运算放大器 (7) 3.2 反向加法器 (7) 3.3 差动运算放大器 (7) 3.4积分器电路 (8) 4 原理图设计 (10) 4.1电路元件明细表 (10) 4.2 绘制原理图 (10) 4.3 元件生成清单 (12) 5 印刷版图的绘制 (12) 5.1 准备电路原理图和网络表 (12) 5.2 创建PCB文件以及网络表的装入 (15) 5.3 元件的布局以及印刷板的布线 (15) 6收获和体会 (16) 7 主要参考文献 (17)

放大器常用芯片

放大器常用芯片 ISO106高压，隔离缓冲放大器 ISO106同ISO102性能基本相同，主要区别要以下两点：①ISO106的连续隔离电压3500；②ISO106封装为40引脚DIP组件；主要引脚定义可参看ISO102。 LF147/347四JFET输入运算放大器 输入失调电压1mV（LF147）、5mV（LF347）；温度漂移10μV/℃；偏置电流50pA增益带宽4MHz；转换速率13V/μs；噪声20nV/(Hz^1/2)(1kHZ)；消耗电流7.2mA。±22V电源（LF147）、±18V电源（LF347）；差模输入电压±38V（LF147）、±30V（LF347）；共模输入电压±19V（LF147）、±15V（LF347）；功耗500mW。 LF155/255/355JFET输入运算放大器 输入失调电压1mV（LF155/355）、3mV（LF255）；温度漂移3μV/℃（LF155/355）、5μV/℃（LF255）；偏置电流30pA增益带宽GB=2.5MHz；转换速率5V/μs；噪声20nV/(Hz^1/2)(1kHZ)；消耗电流2mA。±40V电源（LF155/255）、±30V电源（LF355）；共模输入电压±20V（LF155/255）、±16V（LF355）；输入阻抗10＾12Ω共模抑制比100dB；电压增益106dB。 LF353双JFET输入运算放大器 输入失调电压5mV；温度漂移10μV/℃；偏置电流50pA；增益带宽GB=4MHz；转换速率13V/μs；噪声16nV/(Hz^1/2)(1kHZ)；消耗电流1.8mA。±18V电源；差模输入电压±30V；共模输入电压±15V；功耗500mW。 LF411/411A低失调、低漂移、JFET输朐怂惴糯笃?br> 输入失调电压800μV （LF411）、300μV（LF411A）；温度漂移7μV/℃；偏置电流50pA；增益带宽GB=4MHz；转换速率15V/μs；噪声23nV/(Hz^1/2)(1kHZ)；消耗电流1.8mA。±18V 电源（LF411）、±22V（LF411A）；差模输入电压±30V（LF411）、±38V（LF411A）； 共模输入电压±15V（LF411）、±19V（LF411A）。

聚洵低功耗运算放大器GS8591 8592 8594

GS8591/GS8592/GS8594放大器是单/双/四电源，微功耗，零漂移CMOS运算放大器，这些放大器提供4.5MHz的带宽，轨至轨输入和输出以及1.8V至5.5V的单电源供电。 GS859X使用斩波稳定技术来提供非常低的失调电压（最大值小于50μV），并且在整个温度范围内漂移接近零。每个放大器550μA的低静态电源电流和20pA的极低输入偏置电流使这些器件成为低失调，低功耗和高阻抗应用的理想选择。 GS859X提供了出色的CMRR，而没有与传统的互补输入级相关的分频器。这种设计在驱动模数转换器（ADC）方面具有卓越的性能，而不会降低差分线性度。 GS8591提供SOT23-5和SOP-8封装。 GS8592提供MSOP-8和SOP-8封装。GS8594 Quad具有绿色SOP-14和TSSOP-14封装。在所有电源电压下，-45oC 至+ 125oC的扩展温度范围提供了额外的设计灵活性。 特性： + 1.8V?+ 5.5V单电源供电?嵌入式RF抗EMI滤波器 ?轨到轨输入/输出?小型封装： ?增益带宽乘积：4.5MHz（典型@ 25°C）GS8591采用SOT23-5和SOP-8封装?低输入偏置电流：20pA（典型值@ 25°C）GS8592采用MSOP-8和SOP-8封装 ?低失调电压：30μV（最大@ 25°C）GS8594采用SOP-14和TSSOP-14封装?静态电流：每个放大器550μA（典型值） ?工作温度：-45°C?+ 125°C ?零漂移：0.03μV / oC（典型值）

Features ?Single-Supply Operation from +1.8V ~ +5.5V ?Embedded RF Anti-EMI Filter ?Rail-to-Rail Input / Output ?Small Package: ?Gain-Bandwidth Product: 4.5MHz (Typ. @25°C) GS8591 Available in SOT23-5 and SOP-8 Packages ?Low Input Bias Current: 20pA (Typ. @25°C) GS8592 Available in MSOP-8 and SOP-8 Packages ?Low Offset Voltage: 30μV (Max. @25°C) GS8594 Available in SOP-14 and TSSOP-14 Packages ?Quiescent Current: 550μA per Amplifier (Typ.) ?Operating Temperature: -45°C ~ +125°C ?Zero Drift: 0.03μV/o C (Typ.) General Description The GS859X amplifier is single/dual/quad supply, micro-power, zero-drift CMOS operational amplifiers, the amplifiers offer bandwidth of 4.5MHz, rail-to-rail inputs and outputs, and single-supply operation from 1.8V to 5.5V. GS859X uses chopper stabilized technique to provide very low offset voltage (less than 50μV maximum) and near zero drift over temperature. Low quiescent supply current of 550μA per amplifier and very low input bias current of 20pA make the devices an ideal choice for low offset, low power consumption and high impedance applications. The GS859X offers excellent CMRR without the crossover associated with traditional complementary input stages. This design results in superior performance for driving analog-to-digital converters (ADCs) without degradation of differential linearity. The GS8591 is available in SOT23-5 and SOP-8 packages. And the GS8592 is available in MSOP-8 and SOP-8 packages. The GS8594 Quad is available in Green SOP-14 and TSSOP-14 packages. The extended temperature range of -45o C to +125o C over all supply voltages offers additional design flexibility. Applications ?Transducer Application ?Handheld Test Equipment ?Temperature Measurements ?Battery-Powered Instrumentation ?Electronics Scales Pin Configuration Figure 1. Pin Assignment Diagram