運算放大器設(shè)計與仿真課件

1、運算放大器設(shè)計與仿真課件運算放大器設(shè)計與仿真課件運放基礎(chǔ)知識運放的設(shè)計與仿真運放的穩(wěn)定性應(yīng)用于DC-DC中的誤差放大器運放基礎(chǔ)知識一、運放基礎(chǔ)知識幾種常見的運放結(jié)構(gòu)負(fù)反饋的基本原理運放性能指標(biāo)參數(shù)一、運放基礎(chǔ)知識幾種常見的運放結(jié)構(gòu)1.運放的基本結(jié)構(gòu)套筒式折疊式兩級運放1.運放的基本結(jié)構(gòu)套筒式折疊式兩級運放運算放大器設(shè)計與仿真課件2.負(fù)反饋基本原理H(S)稱為開環(huán)傳輸函數(shù)Y(S)/X(S)稱為閉環(huán)傳輸函數(shù)T定義為環(huán)路增益2.負(fù)反饋基本原理H(S)稱為開環(huán)傳輸函數(shù)T定義為環(huán)路增益例：圖中的電路被設(shè)計成額定增益為10，即1+R1/R2=10。要求增益誤差為1%，確定開環(huán)增益的最小值。=1/10100

2、/A1000增益誤差是實際閉環(huán)增益與理想值偏差的百分?jǐn)?shù)例：圖中的電路被設(shè)計成額定增益為10，即1+R1/R2=103dB帶寬帶 寬下式給出了更一般的多極點運算放大器的傳遞函數(shù)。為便于分析，忽略了零點對運放傳遞函數(shù)的影響，并假設(shè)主極點w0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他極點。在主極點頻率時主極點頻率處即為3dB帶寬3dB帶寬帶 寬下式給出了更一般的多極點運算放大器的假設(shè)運放只有一個極點，那么該運放的傳遞函數(shù)為增益帶寬積（GBW）隨著頻率的上升，會開始下降，下降至0dB時的頻率即為GBW當(dāng)增益降至0dB時，s=AVW0即運放的增益帶寬積為假設(shè)運放只有一個極點，那么該運放的傳遞函數(shù)為增益帶寬積（GB由該運放構(gòu)成的負(fù)反饋

3、閉環(huán)系統(tǒng)的增益帶寬積為結(jié)論：開環(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)為條件：1.反饋網(wǎng)絡(luò)中不含有頻率分量2.單位增益帶寬頻率內(nèi)只含有一個極點由該運放構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的增益帶寬積為結(jié)論：開環(huán)的增益帶3.運放性能參數(shù)開環(huán)增益，增益帶寬積，相位裕度，增益裕度 開環(huán)增益:低頻工作時（200Hz），運放開環(huán)放大倍數(shù)；增益帶寬積：隨著頻率的上升，會開始下降，下降至0dB時的頻率即為GBW；相位裕度：為保證運放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到0dB時，相位的移動應(yīng)小于180度，一般取余量應(yīng)大于60度，即相位的移動應(yīng)小于120度； 增益裕度：為保證運放穩(wěn)定性，除相位裕度外，還應(yīng)保證：當(dāng)相位移

4、動達(dá)到180度時，增益要小于0dB，一般要由10dB裕量，即當(dāng)相位移動達(dá)到180度時，增益要小于-10dB。3.運放性能參數(shù)開環(huán)增益，增益帶寬積，相位裕度，增益裕度 失調(diào)電壓（voltage offset） 定義：實際運放中，當(dāng)輸入信號為0時，由于輸入級的差分對不匹配及電路本身的偏差，使得輸出不為零，而為一較小值，該值為輸出失調(diào)電壓，折算到輸入級即為輸入失調(diào)電壓。失調(diào)電壓（voltage offset） 建立時間(settling time) 建立時間是衡量運算放大器反應(yīng)速度的重要指標(biāo)，它表示從跳變開始到輸出穩(wěn)定的時間。它主要針對運放的小信號特性，在整個跳變過程中，運放仍保持線性。 建立時間(

5、settling time)AVw0為反饋系統(tǒng)的3dB帶寬，若定義反饋系統(tǒng)的響應(yīng)時間常數(shù)如果認(rèn)為輸出電壓和最終值之間的誤差小于2%，則認(rèn)為輸出穩(wěn)定，那么建立時間最小為4個響應(yīng)時間常數(shù)。在設(shè)計時，可以通過對系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求，獲得對所需要設(shè)計的運放單位增益帶寬的要求AVw0為反饋系統(tǒng)的3dB帶寬，若定義反饋系統(tǒng)的響應(yīng)時間常轉(zhuǎn)換速率(slew rate)由圖可以看出，輸出電壓Vout在跳變后的一段時間內(nèi)并沒有按照指數(shù)規(guī)律變化，而是表現(xiàn)出具有不變斜率的線性斜率。這就是負(fù)反饋電路中使用的運放表現(xiàn)出的所謂轉(zhuǎn)換大信號特性。輸出響應(yīng)中的“斜坡”部分的斜率成為“轉(zhuǎn)換速率”轉(zhuǎn)換速率(slew rate)由圖可以

6、看出，輸出電壓VoutV增加到使M1吸收全部的尾電流，使M2關(guān)斷，負(fù)載電容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ISS/CL斜坡輸出。當(dāng)輸出電壓接近VIN時，M2管重新導(dǎo)通，并回到飽和區(qū)，電路回到線性工作狀態(tài)。V增加到使M1吸收全部的尾電流，使M2關(guān)斷，負(fù)載電容被大小共模抑制比(CMRR) 實際電路中，運放既不可能是完全對稱的，電流源的輸出阻抗也不可能是無窮大的，因此共模輸入的變化還是會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共模抑制比(CMRR)電源電壓抑制比(PSRR)在實際使用中的電源也含有噪聲，為了有效抑制電源噪聲對輸出信號的影響，需要了解電源上的噪聲

7、是如何體現(xiàn)在運算放大器的輸出端的。把從運算放大器輸入到輸出的增益除以電源到輸出的增益定義為運放的電源電壓抑制比（PSRR）電源電壓抑制比(PSRR)在實際使用中的電源也含有噪聲，為了二、運放的設(shè)計和仿真設(shè)計流程：1、確定運放在系統(tǒng)中的作用，確定運放的負(fù)載2、確定運放的指標(biāo)3、選擇合適的運放4、手動計算各管子的寬長比5、使用軟件進(jìn)行調(diào)試二、運放的設(shè)計和仿真設(shè)計流程：以一個簡單的二級運放為例，介紹如何進(jìn)行手動計算。以一個簡單的二級運放為例，介紹如何進(jìn)行手動計算。確定CC確定第一級電流確定M5確定M1確定M3確定M6確定M7確定CC確定第一級電流確定M5確定M1確定M3確定M6確定M如何確定uCox

8、以及溝長調(diào)制系數(shù)？選一個電路，對其進(jìn)行DC仿真，查看NMOS和PMOS的DC OPERATING POINTS,即可得左圖，其中，betaeff=coxW/Lgds=ID如何確定uCox以及溝長調(diào)制系數(shù)？選一個電路，對其進(jìn)行DC如何使用軟件進(jìn)行仿真完善設(shè)計？仍然以兩級運放為例。如何使用軟件進(jìn)行仿真完善設(shè)計？仍然以兩級運放為例。用途：緩沖器負(fù)載：20p電容指標(biāo)：增益：80dB 建立時間：2.08u 輸入輸出擺幅：-3.7V到3.7V 擺率：3V/us 用途：緩沖器1.確定每個管子在飽和區(qū)做DC分析，通過觀察DC OPERATING POINTS，查看管子的工作狀態(tài)，保證每個管子都工作在飽和區(qū)。1

9、.確定每個管子在飽和區(qū)做DC分析，通過觀察DC OPERA 2.增益，相位裕度，增益裕度，增益帶寬積做AC分析，仿真原理圖如下： 2.增益，相位裕度，增益裕度，增益帶寬積做AC分析，仿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4p，應(yīng)包括M6的CGD=4.136pP1=37.81gm1=156u3.建立時間做TRAN分析，將運放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入小的階躍信號，觀察輸出波形3.建立時間做TRAN

10、分析，將運放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入小使用caculator中的settling time函數(shù)計算建立時間。使用caculator中的settling time函數(shù)計算4、轉(zhuǎn)換速率（SR）做瞬態(tài)分析，將運放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸入大信號，觀察輸出。4、轉(zhuǎn)換速率（SR）做瞬態(tài)分析，將運放結(jié)成單位增益負(fù)反饋，輸直接測量或使用caculator中的slew rate函數(shù)計算轉(zhuǎn)換速率。直接測量或使用caculator中的slew rate函數(shù)計5.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，輸出即為失調(diào)電壓。5.失調(diào)電壓（offset）將電路結(jié)成單位增益負(fù)反饋，做瞬態(tài)6、輸入共模范圍

11、做DC分析，觀察運放在要求的輸入共模范圍是否能滿足每個管子都在飽和區(qū)。6、輸入共模范圍做DC分析，觀察運放在要求的輸入共模范圍是否7、輸出范圍做瞬態(tài)分析，將運放接成電阻反饋形式，輸入正弦信號進(jìn)行放大，觀察輸出。7、輸出范圍做瞬態(tài)分析，將運放接成電阻反饋形式，輸入正弦信號運算放大器設(shè)計與仿真課件8、共模抑制比做AC分析，仿真電路如下所示：8、共模抑制比做AC分析，仿真電路如下所示：運算放大器設(shè)計與仿真課件9、電源電壓抑制比9、電源電壓抑制比運算放大器設(shè)計與仿真課件運算放大器設(shè)計與仿真課件三、運放穩(wěn)定性對一個系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，可以采用“巴克豪森判據(jù)”，即一個穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)需要滿足的條件是在環(huán)路增

12、益為1時，反饋信號的相位變化小于180deg；或當(dāng)反饋信號相位變化達(dá)到180deg時，環(huán)路增益小于1。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：一個系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如果在右半平面存在極點，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如果只存在左半平面極點和零點，那么需要進(jìn)一步在波特圖中分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。三、運放穩(wěn)定性對一個系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷，可以采用“巴克豪森判據(jù)運算放大器設(shè)計與仿真課件在每個零點頻率出，幅值曲線的斜率按+20dB/dec變化；在每個極點頻率處，其斜率按-20dB/dec變化；相位曲線在0.1wp（其中wp表示左半平面極點的頻率）頻率處以-45deg/十倍頻程斜率開始下降，在10wp頻率處完成-90deg相位變化。在經(jīng)過一個零點時

13、，如果該零點是左半平面零點，那么在0.1wz（其中wz表示零點的頻率）頻率處以+45deg/十倍頻程斜率上升，在10wz頻率處完成+90deg相位變化。而當(dāng)經(jīng)過一個右半平面的零點時，其相位曲線按-45deg斜率下降，最后完成-90deg相位變化。在每個零點頻率出，幅值曲線的斜率按+20dB/dec變化；在運算放大器設(shè)計與仿真課件運算放大器設(shè)計與仿真課件判斷如下系統(tǒng)是否穩(wěn)定？判斷如下系統(tǒng)是否穩(wěn)定？兩級運放的補償密勒補償原理：問題：為什么兩級運放需要補償？兩級運放的補償密勒補償原理：問題：為什么兩級運放需要補償？運算放大器設(shè)計與仿真課件運算放大器設(shè)計與仿真課件運算放大器設(shè)計與仿真課件控制零點的密勒補償控制零點的密勒補償環(huán)路穩(wěn)定性測試測試原理圖如下所示：環(huán)路穩(wěn)定性測試測試原理圖如下所示：環(huán)路增益，開環(huán)增益，閉環(huán)增益的關(guān)系？零極點的聯(lián)系？環(huán)路增益，開環(huán)增益，閉環(huán)增益的關(guān)系？運算放大器設(shè)計與仿真課件閉合速度穩(wěn)定性檢查法閉合速度穩(wěn)定性檢查法如何估計零極點？如何估計零極點？運算放大器設(shè)計與仿真課件實例環(huán)路穩(wěn)定性分析實例環(huán)路穩(wěn)定性分析開環(huán)閉環(huán)環(huán)路由圖可知，開環(huán)GBW必須小于閉環(huán)的零點，才