運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真-安超群

1、運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真 安超群安超群 2012年年3月月5日日 運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí) 運(yùn)放的設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)放的設(shè)計(jì)與仿真 運(yùn)放的穩(wěn)定性運(yùn)放的穩(wěn)定性 應(yīng)用于應(yīng)用于DC-DC中的誤差放大器中的誤差放大器一、運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí)一、運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí) 幾種常見(jiàn)的運(yùn)放結(jié)構(gòu)幾種常見(jiàn)的運(yùn)放結(jié)構(gòu) 負(fù)反饋的基本原理負(fù)反饋的基本原理 運(yùn)放性能指標(biāo)參數(shù)運(yùn)放性能指標(biāo)參數(shù)1.運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)套筒式套筒式折疊式折疊式兩級(jí)運(yùn)放兩級(jí)運(yùn)放2.負(fù)反饋基本原理負(fù)反饋基本原理H(S)稱為開(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)稱為開(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)Y(S)/X(S)稱為閉環(huán)傳輸函數(shù)稱為閉環(huán)傳輸函數(shù)T定義為環(huán)路增定義為環(huán)路增益益例：圖中的電路被

2、設(shè)計(jì)成額定增益為例：圖中的電路被設(shè)計(jì)成額定增益為10，即，即1+R1/R2=10。要。要求增益誤差為求增益誤差為1%，確定開(kāi)環(huán)增益的最小值。，確定開(kāi)環(huán)增益的最小值。=1/10100/A1000增益誤差增益誤差是實(shí)際閉環(huán)增益與理想值偏差的百分?jǐn)?shù)是實(shí)際閉環(huán)增益與理想值偏差的百分?jǐn)?shù)3dB帶寬帶寬帶帶 寬寬下式給出了更一般的多極點(diǎn)運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)。為便于分析，忽下式給出了更一般的多極點(diǎn)運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)。為便于分析，忽略了零點(diǎn)對(duì)運(yùn)放傳遞函數(shù)的影響，并假設(shè)主極點(diǎn)略了零點(diǎn)對(duì)運(yùn)放傳遞函數(shù)的影響，并假設(shè)主極點(diǎn)w0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他極點(diǎn)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他極點(diǎn)。在主極點(diǎn)頻率時(shí)在主極點(diǎn)頻率時(shí)主極點(diǎn)頻率處即為主極點(diǎn)頻率處

3、即為3dB帶寬帶寬假設(shè)運(yùn)放只有一個(gè)極點(diǎn)，那么該運(yùn)放的傳遞函數(shù)為假設(shè)運(yùn)放只有一個(gè)極點(diǎn)，那么該運(yùn)放的傳遞函數(shù)為增益帶寬積（增益帶寬積（GBW）隨著頻率的上升，會(huì)開(kāi)始下降，下降至隨著頻率的上升，會(huì)開(kāi)始下降，下降至0dB時(shí)的頻率即為時(shí)的頻率即為GBW當(dāng)增益降至當(dāng)增益降至0dB時(shí)，時(shí)，s=AVW0即運(yùn)放的增益帶寬積為即運(yùn)放的增益帶寬積為由該運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的增益帶寬積為由該運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的增益帶寬積為結(jié)論：開(kāi)環(huán)的增益帶寬積與閉環(huán)的增益帶寬積一致。結(jié)論：開(kāi)環(huán)的增益帶寬積與閉環(huán)的增益帶寬積一致。則閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為則閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為條件：條件：1.反饋網(wǎng)絡(luò)中不含有頻率分量反饋網(wǎng)絡(luò)中不

4、含有頻率分量2.單位增益帶寬頻率內(nèi)只含有一個(gè)極點(diǎn)單位增益帶寬頻率內(nèi)只含有一個(gè)極點(diǎn)3.運(yùn)放性能參數(shù)運(yùn)放性能參數(shù)開(kāi)環(huán)增益，增益帶寬積，相位裕度，增益裕度開(kāi)環(huán)增益，增益帶寬積，相位裕度，增益裕度 開(kāi)環(huán)增益開(kāi)環(huán)增益:低頻工作時(shí)（低頻工作時(shí)（200Hz），運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；），運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；增益帶寬積增益帶寬積：隨著頻率的上升，會(huì)開(kāi)始下降，下降至：隨著頻率的上升，會(huì)開(kāi)始下降，下降至0dB時(shí)的頻率即為時(shí)的頻率即為GBW；相位裕度相位裕度：為保證運(yùn)放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到：為保證運(yùn)放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到0dB時(shí)，相位的移動(dòng)應(yīng)小于時(shí)，相位的移動(dòng)應(yīng)小于180度，一般取余量應(yīng)大于度，一般取余量應(yīng)大于

5、60度，即相位的移動(dòng)應(yīng)小于度，即相位的移動(dòng)應(yīng)小于120度；度； 增益裕度增益裕度：為保證運(yùn)放穩(wěn)定性，除相位裕度外，還應(yīng)保證：當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到：為保證運(yùn)放穩(wěn)定性，除相位裕度外，還應(yīng)保證：當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到180度時(shí)，增益要小于度時(shí)，增益要小于0dB，一般要由，一般要由10dB裕量，即當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到裕量，即當(dāng)相位移動(dòng)達(dá)到180度時(shí)，度時(shí)，增益要小于增益要小于-10dB。失調(diào)電壓（失調(diào)電壓（voltage offset） 定義：實(shí)際運(yùn)放中，當(dāng)輸入信號(hào)為定義：實(shí)際運(yùn)放中，當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，由于輸入級(jí)的差分對(duì)不匹配及時(shí)，由于輸入級(jí)的差分對(duì)不匹配及電路本身的偏差，使得輸出不為零，而為一較小值，該值為輸出失電路本

6、身的偏差，使得輸出不為零，而為一較小值，該值為輸出失調(diào)電壓，折算到輸入級(jí)即為輸入失調(diào)電壓。調(diào)電壓，折算到輸入級(jí)即為輸入失調(diào)電壓。 建立時(shí)間建立時(shí)間(settling time) 建立時(shí)間是衡量運(yùn)算放大器反應(yīng)速度的重要指標(biāo)，它表示從跳變開(kāi)始建立時(shí)間是衡量運(yùn)算放大器反應(yīng)速度的重要指標(biāo)，它表示從跳變開(kāi)始到輸出穩(wěn)定的時(shí)間。它主要針對(duì)運(yùn)放的到輸出穩(wěn)定的時(shí)間。它主要針對(duì)運(yùn)放的小信號(hào)特性小信號(hào)特性，在整個(gè)跳變過(guò)程，在整個(gè)跳變過(guò)程中，運(yùn)放仍保持線性。中，運(yùn)放仍保持線性。AVw0為反饋系統(tǒng)的為反饋系統(tǒng)的3dB帶寬，若定義反饋系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)帶寬，若定義反饋系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)如果認(rèn)為輸出電壓和最終值之間的誤差如

7、果認(rèn)為輸出電壓和最終值之間的誤差小于小于2%，則認(rèn)為輸出穩(wěn)定，那么建立時(shí)間最小，則認(rèn)為輸出穩(wěn)定，那么建立時(shí)間最小為為4個(gè)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)個(gè)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求，獲得對(duì)所需要設(shè)計(jì)的運(yùn)放的要求，獲得對(duì)所需要設(shè)計(jì)的運(yùn)放單位增益帶寬單位增益帶寬的要求的要求轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(slew rate)由圖可以看出，輸出電壓由圖可以看出，輸出電壓Vout在跳變后的一段時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有在跳變后的一段時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有按照指數(shù)規(guī)律變化，而是表現(xiàn)按照指數(shù)規(guī)律變化，而是表現(xiàn)出具有不變斜率的線性斜率。出具有不變斜率的線性斜率。這就是負(fù)反饋電路中使用的運(yùn)這就是負(fù)反饋電路中使

8、用的運(yùn)放表現(xiàn)出的所謂轉(zhuǎn)換大信號(hào)特放表現(xiàn)出的所謂轉(zhuǎn)換大信號(hào)特性。輸出響應(yīng)中的性。輸出響應(yīng)中的“斜坡斜坡”部部分的斜率成為分的斜率成為“轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率”V增加到使增加到使M1吸收全部的尾吸收全部的尾電流，使電流，使M2關(guān)斷，負(fù)載電容關(guān)斷，負(fù)載電容被大小等于尾電流的鏡像電流被大小等于尾電流的鏡像電流充電，結(jié)果產(chǎn)生了斜率為充電，結(jié)果產(chǎn)生了斜率為ISS/CL斜坡輸出。斜坡輸出。當(dāng)輸出電壓接近當(dāng)輸出電壓接近VIN時(shí)，時(shí)，M2管管重新導(dǎo)通，并回到飽和區(qū)，電重新導(dǎo)通，并回到飽和區(qū)，電路回到線性工作狀態(tài)路回到線性工作狀態(tài)。共模抑制比共模抑制比(CMRR) 實(shí)際電路中，運(yùn)放既不可能是完全對(duì)稱的，電流源的輸出阻抗

9、也不可實(shí)際電路中，運(yùn)放既不可能是完全對(duì)稱的，電流源的輸出阻抗也不可能是無(wú)窮大的，因此共模輸入的變化還是會(huì)引起輸出電壓的變化。能是無(wú)窮大的，因此共模輸入的變化還是會(huì)引起輸出電壓的變化。CMRR定義為差模電壓增益與共模電壓增益之比定義為差模電壓增益與共模電壓增益之比電源電壓抑制比電源電壓抑制比(PSRR)在實(shí)際使用中的電源也含有噪聲，為了有效抑制電源噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響，在實(shí)際使用中的電源也含有噪聲，為了有效抑制電源噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響，需要了解電源上的噪聲是如何體現(xiàn)在運(yùn)算放大器的輸出端的。把從運(yùn)算放大需要了解電源上的噪聲是如何體現(xiàn)在運(yùn)算放大器的輸出端的。把從運(yùn)算放大器輸入到輸出的增益除以電源到輸

10、出的增益定義為運(yùn)放的電源電壓抑制比器輸入到輸出的增益除以電源到輸出的增益定義為運(yùn)放的電源電壓抑制比（PSRR）二、運(yùn)放的設(shè)計(jì)和仿真二、運(yùn)放的設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)流程：設(shè)計(jì)流程：1、確定運(yùn)放在系統(tǒng)中的作用，確定運(yùn)放的負(fù)載、確定運(yùn)放在系統(tǒng)中的作用，確定運(yùn)放的負(fù)載2、確定運(yùn)放的指標(biāo)、確定運(yùn)放的指標(biāo)3、選擇合適的運(yùn)放、選擇合適的運(yùn)放4、手動(dòng)計(jì)算各管子的寬長(zhǎng)比、手動(dòng)計(jì)算各管子的寬長(zhǎng)比5、使用軟件進(jìn)行調(diào)試、使用軟件進(jìn)行調(diào)試以一個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)運(yùn)放為例，介紹如何進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算。以一個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)運(yùn)放為例，介紹如何進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算。確定確定CC確定第一確定第一級(jí)電流級(jí)電流確定確定M5確定確定M1確定確定M3確定確定M6確定確定

11、M7如何確定如何確定uCox以及溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)以及溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)？選一個(gè)電路，對(duì)其進(jìn)行選一個(gè)電路，對(duì)其進(jìn)行DC仿真，查看仿真，查看NMOS和和PMOS的的DC OPERATING POINTS,即可得左圖，即可得左圖，其中，其中，betaeff=coxW/Lgds=ID如何使用軟件進(jìn)行仿真完善設(shè)計(jì)？仍然以兩級(jí)運(yùn)放為例。如何使用軟件進(jìn)行仿真完善設(shè)計(jì)？仍然以兩級(jí)運(yùn)放為例。用途用途：緩沖器：緩沖器負(fù)載負(fù)載：20p電容電容指標(biāo)指標(biāo)：增益：增益：80dB 建立時(shí)間：建立時(shí)間：2.08u 輸入輸出擺幅：輸入輸出擺幅：-3.7V到到3.7V 擺率：擺率：3V/us 1.確定每個(gè)管子在飽和區(qū)確定每個(gè)管子在飽和區(qū)做

12、做DC分析，通過(guò)觀察分析，通過(guò)觀察DC OPERATING POINTS，查看管子的工作狀態(tài)，保證每，查看管子的工作狀態(tài)，保證每個(gè)管子都工作在飽和區(qū)。個(gè)管子都工作在飽和區(qū)。 2.增益，相位裕度，增益裕度，增益帶寬積增益，相位裕度，增益裕度，增益帶寬積做做AC分析，仿真原理圖如下：分析，仿真原理圖如下：gm1=156uRout1=1/(474.1n+640.2n)gm2=9.979mRout2=1/(8.06u+9.25u)AV=gm1Rout1gm2Rout2=98.138dBP1=1/2*pi*gm2Rout2CCRout1CC不只是不只是4p，應(yīng)包括，應(yīng)包括M6的的CGD=4.136pP1

13、=37.81 3.建立時(shí)間建立時(shí)間做做TRAN分析，將運(yùn)放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入小的階躍信號(hào)，觀察分析，將運(yùn)放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入小的階躍信號(hào)，觀察輸出波形輸出波形使用使用caculator中的中的settling time函數(shù)計(jì)算建立時(shí)間。函數(shù)計(jì)算建立時(shí)間。4、轉(zhuǎn)換速率（、轉(zhuǎn)換速率（SR）做瞬態(tài)分析，將運(yùn)放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入大信號(hào)，觀察輸出。做瞬態(tài)分析，將運(yùn)放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入大信號(hào)，觀察輸出。直接測(cè)量或使用直接測(cè)量或使用caculator中的中的slew rate函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。5.失調(diào)電壓（失調(diào)電壓（offset）將電路結(jié)成單位增益負(fù)反饋，做瞬態(tài)分析

14、，輸出即為失調(diào)電壓。將電路結(jié)成單位增益負(fù)反饋，做瞬態(tài)分析，輸出即為失調(diào)電壓。6、輸入共模范圍、輸入共模范圍做做DC分析，觀察運(yùn)放在要求的輸入共模范圍是否能滿足每分析，觀察運(yùn)放在要求的輸入共模范圍是否能滿足每個(gè)管子都在飽和區(qū)。個(gè)管子都在飽和區(qū)。7、輸出范圍、輸出范圍做瞬態(tài)分析，將運(yùn)放接成電阻反饋形式，輸入正弦信號(hào)進(jìn)行放大，觀察做瞬態(tài)分析，將運(yùn)放接成電阻反饋形式，輸入正弦信號(hào)進(jìn)行放大，觀察輸出。輸出。8、共模抑制比、共模抑制比做做AC分析，仿真電路如下所示：分析，仿真電路如下所示：9、電源電壓抑制比、電源電壓抑制比三、運(yùn)放穩(wěn)定性三、運(yùn)放穩(wěn)定性對(duì)一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，可以采用對(duì)一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，

15、可以采用“巴克豪森判據(jù)巴克豪森判據(jù)”，即一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)反饋系，即一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)需要滿足的條件是在環(huán)路增益為統(tǒng)需要滿足的條件是在環(huán)路增益為1時(shí)，反饋信號(hào)的相位變化小于時(shí)，反饋信號(hào)的相位變化小于180deg；或當(dāng)；或當(dāng)反饋信號(hào)相位變化達(dá)到反饋信號(hào)相位變化達(dá)到180deg時(shí)，環(huán)路增益小于時(shí)，環(huán)路增益小于1。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如果在右半平面存在極點(diǎn)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如果一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如果在右半平面存在極點(diǎn)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如果只存在左半平面極點(diǎn)和零點(diǎn)，那么需要進(jìn)一步在波特圖中分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。只存在左半平面極點(diǎn)和零點(diǎn)，那么需要進(jìn)一步在波特圖中分析系統(tǒng)

16、穩(wěn)定性。在每個(gè)在每個(gè)零點(diǎn)零點(diǎn)頻率出，幅值曲線的斜率按頻率出，幅值曲線的斜率按+20dB/dec變化；在每個(gè)變化；在每個(gè)極點(diǎn)極點(diǎn)頻率處，頻率處，其斜率按其斜率按-20dB/dec變化；變化；相位曲線在相位曲線在0.1wp（其中（其中wp表示左半平面極點(diǎn)的頻率）頻率處以表示左半平面極點(diǎn)的頻率）頻率處以-45deg/十倍頻十倍頻程程斜率開(kāi)始下降，在斜率開(kāi)始下降，在10wp頻率處完成頻率處完成-90deg相位變化。在經(jīng)過(guò)一個(gè)零點(diǎn)時(shí)，相位變化。在經(jīng)過(guò)一個(gè)零點(diǎn)時(shí)，如果該零點(diǎn)是左半平面零點(diǎn)，那么在如果該零點(diǎn)是左半平面零點(diǎn)，那么在0.1wz（其中（其中wz表示零點(diǎn)的頻率）頻率處表示零點(diǎn)的頻率）頻率處以以+45

17、deg/十倍頻程十倍頻程斜率上升，在斜率上升，在10wz頻率處完成頻率處完成+90deg相位變化。而當(dāng)經(jīng)過(guò)相位變化。而當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)右半平面的零點(diǎn)時(shí)，其相位曲線按一個(gè)右半平面的零點(diǎn)時(shí)，其相位曲線按-45deg斜率下降，最后完成斜率下降，最后完成-90deg相位相位變化。變化。判斷如下系統(tǒng)是否穩(wěn)定？判斷如下系統(tǒng)是否穩(wěn)定？?jī)杉?jí)運(yùn)放的補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)放的補(bǔ)償密勒補(bǔ)償原理：密勒補(bǔ)償原理：?jiǎn)栴}：為什么兩級(jí)運(yùn)放需要補(bǔ)償？問(wèn)題：為什么兩級(jí)運(yùn)放需要補(bǔ)償？控制零點(diǎn)的密勒補(bǔ)償控制零點(diǎn)的密勒補(bǔ)償環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試測(cè)試原理圖如下所示：測(cè)試原理圖如下所示：環(huán)路增益，開(kāi)環(huán)增益，閉環(huán)增益的關(guān)系？環(huán)路增益，開(kāi)環(huán)增益，閉環(huán)增益的關(guān)系？零極點(diǎn)的聯(lián)系？零極點(diǎn)的聯(lián)系？閉合速度穩(wěn)定性檢查法閉合速度穩(wěn)定性檢查法如何估計(jì)零極點(diǎn)？如何估計(jì)零極點(diǎn)？實(shí)例環(huán)路穩(wěn)定性分析實(shí)例環(huán)路穩(wěn)定性分析開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)閉環(huán)閉環(huán)環(huán)路環(huán)