运算放大器设计与仿真课件

1、运算放大器设计与仿真课件运算放大器设计与仿真课件运放基础知识运放的设计与仿真运放的稳定性应用于DC-DC中的误差放大器运放基础知识一、运放基础知识几种常见的运放结构负反馈的基本原理运放性能指标参数一、运放基础知识几种常见的运放结构1.运放的基本结构套筒式折叠式两级运放1.运放的基本结构套筒式折叠式两级运放运算放大器设计与仿真课件2.负反馈基本原理H(S)称为开环传输函数Y(S)/X(S)称为闭环传输函数T定义为环路增益2.负反馈基本原理H(S)称为开环传输函数T定义为环路增益例：图中的电路被设计成额定增益为10，即1+R1/R2=10。要求增益误差为1%，确定开环增益的最小值。=1/10100

2、/A1000增益误差是实际闭环增益与理想值偏差的百分数例：图中的电路被设计成额定增益为10，即1+R1/R2=103dB带宽带 宽下式给出了更一般的多极点运算放大器的传递函数。为便于分析，忽略了零点对运放传递函数的影响，并假设主极点w0远远小于其他极点。在主极点频率时主极点频率处即为3dB带宽3dB带宽带 宽下式给出了更一般的多极点运算放大器的假设运放只有一个极点，那么该运放的传递函数为增益带宽积（GBW）随着频率的上升，会开始下降，下降至0dB时的频率即为GBW当增益降至0dB时，s=AVW0即运放的增益带宽积为假设运放只有一个极点，那么该运放的传递函数为增益带宽积（GB由该运放构成的负反馈

3、闭环系统的增益带宽积为结论：开环的增益带宽积与闭环的增益带宽积一致。则闭环系统的传递函数为条件：1.反馈网络中不含有频率分量2.单位增益带宽频率内只含有一个极点由该运放构成的负反馈闭环系统的增益带宽积为结论：开环的增益带3.运放性能参数开环增益，增益带宽积，相位裕度，增益裕度 开环增益:低频工作时（200Hz），运放开环放大倍数；增益带宽积：随着频率的上升，会开始下降，下降至0dB时的频率即为GBW；相位裕度：为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时，相位的移动应小于180度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120度； 增益裕度：为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证：当相位移

4、动达到180度时，增益要小于0dB，一般要由10dB裕量，即当相位移动达到180度时，增益要小于-10dB。3.运放性能参数开环增益，增益带宽积，相位裕度，增益裕度 失调电压（voltage offset） 定义：实际运放中，当输入信号为0时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏差，使得输出不为零，而为一较小值，该值为输出失调电压，折算到输入级即为输入失调电压。失调电压（voltage offset） 建立时间(settling time) 建立时间是衡量运算放大器反应速度的重要指标，它表示从跳变开始到输出稳定的时间。它主要针对运放的小信号特性，在整个跳变过程中，运放仍保持线性。 建立时间(

5、settling time)AVw0为反馈系统的3dB带宽，若定义反馈系统的响应时间常数如果认为输出电压和最终值之间的误差小于2%，则认为输出稳定，那么建立时间最小为4个响应时间常数。在设计时，可以通过对系统响应速度的要求，获得对所需要设计的运放单位增益带宽的要求AVw0为反馈系统的3dB带宽，若定义反馈系统的响应时间常转换速率(slew rate)由图可以看出，输出电压Vout在跳变后的一段时间内并没有按照指数规律变化，而是表现出具有不变斜率的线性斜率。这就是负反馈电路中使用的运放表现出的所谓转换大信号特性。输出响应中的“斜坡”部分的斜率成为“转换速率”转换速率(slew rate)由图可以

6、看出，输出电压VoutV增加到使M1吸收全部的尾电流，使M2关断，负载电容被大小等于尾电流的镜像电流充电，结果产生了斜率为ISS/CL斜坡输出。当输出电压接近VIN时，M2管重新导通，并回到饱和区，电路回到线性工作状态。V增加到使M1吸收全部的尾电流，使M2关断，负载电容被大小共模抑制比(CMRR) 实际电路中，运放既不可能是完全对称的，电流源的输出阻抗也不可能是无穷大的，因此共模输入的变化还是会引起输出电压的变化。CMRR定义为差模电压增益与共模电压增益之比共模抑制比(CMRR)电源电压抑制比(PSRR)在实际使用中的电源也含有噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声

7、是如何体现在运算放大器的输出端的。把从运算放大器输入到输出的增益除以电源到输出的增益定义为运放的电源电压抑制比（PSRR）电源电压抑制比(PSRR)在实际使用中的电源也含有噪声，为了二、运放的设计和仿真设计流程：1、确定运放在系统中的作用，确定运放的负载2、确定运放的指标3、选择合适的运放4、手动计算各管子的宽长比5、使用软件进行调试二、运放的设计和仿真设计流程：以一个简单的二级运放为例，介绍如何进行手动计算。以一个简单的二级运放为例，介绍如何进行手动计算。确定CC确定第一级电流确定M5确定M1确定M3确定M6确定M7确定CC确定第一级电流确定M5确定M1确定M3确定M6确定M如何确定uCox

8、以及沟长调制系数？选一个电路，对其进行DC仿真，查看NMOS和PMOS的DC OPERATING POINTS,即可得左图，其中，betaeff=coxW/Lgds=ID如何确定uCox以及沟长调制系数？选一个电路，对其进行DC如何使用软件进行仿真完善设计？仍然以两级运放为例。如何使用软件进行仿真完善设计？仍然以两级运放为例。用途：缓冲器负载：20p电容指标：增益：80dB 建立时间：2.08u 输入输出摆幅：-3.7V到3.7V 摆率：3V/us 用途：缓冲器1.确定每个管子在饱和区做DC分析，通过观察DC OPERATING POINTS，查看管子的工作状态，保证每个管子都工作在饱和区。1

9、.确定每个管子在饱和区做DC分析，通过观察DC OPERA 2.增益，相位裕度，增益裕度，增益带宽积做AC分析，仿真原理图如下： 2.增益，相位裕度，增益裕度，增益带宽积做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，应包括M6的CGD=4.136pP1=37.81gm1=156u3.建立时间做TRAN分析，将运放结成单位增益负反馈，输入小的阶跃信号，观察输出波形3.建立时间做TRAN

10、分析，将运放结成单位增益负反馈，输入小使用caculator中的settling time函数计算建立时间。使用caculator中的settling time函数计算4、转换速率（SR）做瞬态分析，将运放结成单位增益负反馈，输入大信号，观察输出。4、转换速率（SR）做瞬态分析，将运放结成单位增益负反馈，输直接测量或使用caculator中的slew rate函数计算转换速率。直接测量或使用caculator中的slew rate函数计5.失调电压（offset）将电路结成单位增益负反馈，做瞬态分析，输出即为失调电压。5.失调电压（offset）将电路结成单位增益负反馈，做瞬态6、输入共模范围

11、做DC分析，观察运放在要求的输入共模范围是否能满足每个管子都在饱和区。6、输入共模范围做DC分析，观察运放在要求的输入共模范围是否7、输出范围做瞬态分析，将运放接成电阻反馈形式，输入正弦信号进行放大，观察输出。7、输出范围做瞬态分析，将运放接成电阻反馈形式，输入正弦信号运算放大器设计与仿真课件8、共模抑制比做AC分析，仿真电路如下所示：8、共模抑制比做AC分析，仿真电路如下所示：运算放大器设计与仿真课件9、电源电压抑制比9、电源电压抑制比运算放大器设计与仿真课件运算放大器设计与仿真课件三、运放稳定性对一个系统稳定性的判断，可以采用“巴克豪森判据”，即一个稳定的负反馈系统需要满足的条件是在环路增

12、益为1时，反馈信号的相位变化小于180deg；或当反馈信号相位变化达到180deg时，环路增益小于1。其数学表达式如下：一个系统开环传递函数如果在右半平面存在极点，则系统是不稳定的。如果只存在左半平面极点和零点，那么需要进一步在波特图中分析系统稳定性。三、运放稳定性对一个系统稳定性的判断，可以采用“巴克豪森判据运算放大器设计与仿真课件在每个零点频率出，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化；在每个极点频率处，其斜率按-20dB/dec变化；相位曲线在0.1wp（其中wp表示左半平面极点的频率）频率处以-45deg/十倍频程斜率开始下降，在10wp频率处完成-90deg相位变化。在经过一个零点时

13、，如果该零点是左半平面零点，那么在0.1wz（其中wz表示零点的频率）频率处以+45deg/十倍频程斜率上升，在10wz频率处完成+90deg相位变化。而当经过一个右半平面的零点时，其相位曲线按-45deg斜率下降，最后完成-90deg相位变化。在每个零点频率出，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化；在运算放大器设计与仿真课件运算放大器设计与仿真课件判断如下系统是否稳定？判断如下系统是否稳定？两级运放的补偿密勒补偿原理：问题：为什么两级运放需要补偿？两级运放的补偿密勒补偿原理：问题：为什么两级运放需要补偿？运算放大器设计与仿真课件运算放大器设计与仿真课件运算放大器设计与仿真课件控制零点的密勒补偿控制零点的密勒补偿环路稳定性测试测试原理图如下所示：环路稳定性测试测试原理图如下所示：环路增益，开环增益，闭环增益的关系？零极点的联系？环路增益，开环增益，闭环增益的关系？运算放大器设计与仿真课件闭合速度稳定性检查法闭合速度稳定性检查法如何估计零极点？如何估计零极点？运算放大器设计与仿真课件实例环路稳定性分析实例环路稳定性分析开环闭环环路由图可知，开环GBW必须小于闭环的零点，才