1、苏 州 市 职 业 大 学实 习 (实 训 )说 明 书名称 二阶运算放大器设计与仿真 2014 年 9 月 1 日至 2014 年 9 月 5 日共 1 周院 部 电子信息工程学院 班 级 12 微电子技术 2 班 姓 名 院 长 张 欣 系 主 任 陈伟元 指 导 教 师 吴 尘 校 外 指 导 教 师 韩 敏 慧 目录第一章 绪论 11.1、模拟集成电路概述 .11.1.1、模拟集成电路的设计特点 .11.2、模拟集成电路设计流程 .1第二章 二阶运算放大器 32.1、运算放大器概述 .32.1.1、运算放大器的工作原理 .32.2、运算放大器的分类 .52.2.1、运算放大器的主要参数
2、 .5第三章 二阶运算放大器仿真分析 63.1、画电路图 .63.2、二阶运算放大器仿真分析 .7第四章 实训总结 .12参考文献 .130第一章 绪论1.1、模拟集成电路概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。1
3、.1.1、模拟集成电路的设计特点几何尺寸是设计的重要部分；通常涉及模数混合电路；模拟占 20%、数字占 80%的芯片面积；模拟需要 80%的设计时间；模拟设计主要在电路级； 成功的设计：2/3 取决于模拟，1/3 取决于数字。1.2、模拟集成电路设计流程设计输入：以电路图或 HDL 语言的形式形成电路文件；输入的文件经过编译后，可以形成对电路逻辑模型的标准描述。逻辑仿真（功能仿真）：对如上形成的逻辑描述加入输入测试信号，检查输出信号师傅哦满足设计要求；再此没有考虑任何时间关系，只是检测逻辑是否有错。系统分割（设计综合）：采用特定的设计方法分解实现电路模型，得到电路实际采用的逻辑单元及其相互连接
4、形式；在 GA 设计时，电路会分割为 2-3 输入的逻辑单元，在 FPGA 设计中，分割为 4 输入逻辑单元，而采用 CPLD 设计时，则分割为更大的逻辑单元。1前仿真：采用综合出的电路结构，对每个逻辑单元添加上对应的时间延迟信息；在此基础上进行仿真，检测电路是否存在逻辑或时序错误。电路的布局，定位与布线：对于通过前仿真的电路系统，从全局到局部，进行每个单元的定位以及相关的连线安排；电路参数提取：根据连线的具体长度和负载程度，提取每一根连线的电阻/电容参数，得到相应的时间延迟信息。后仿真：将提取的连线参数带入到电路中，在此基础上进行仿真，检测电路是否存在逻辑或时序错误。2第二章 二阶运算放大器
5、2.1、运算放大器概述运算放大器（简称“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器” 。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。第一个使用真空管设计的放大器大约在 1930 年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。 运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog c
6、omputer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。1960 年代晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为 A709，设
7、计者则是鲍伯韦勒（。但是 709 很快地被随后而来的新产品 A741 取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741 运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产 741。直到今天 A741 仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。2.1.1、运算放大器的工作原理运放（如图 2.2）有两个输入端（反相输入端、同相输入端）和一个输出端。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压 U-加在反相输入3端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。 ）之间，且其实际方向从反相输入端高
8、于公共端时，输出电压 U 实际方向则自公共端指向输出端，即两者的方向正好相反。当输入电压 U+加在同相输入端和公共端之间，U 与 U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，反相输入端和同相输入 端分别用“-“和“+“号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。图 2.1 运算放大器结构图一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电
9、压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2） ，其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 4100000 倍） ，E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。 2.2、运算放大器的分类通用型、高阻型、低温漂
10、型、高速型、低功耗型高压大功率型、可编程控制型。2.2.1、运算放大器的主要参数（1）共模输入电阻（RINCM) 该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。（2）直流共模抑制（CMRDC)该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。（3）交流共模抑制（CMRAC)CMRAC 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。（4）增益带宽积（GBW)增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。（5）输出电压摆幅（VO)该参数是指输出
11、信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO 一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。（6）功耗（Pd)表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd 通常定义在空载情况下。（7）转换速率/压摆率（SR)该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以 V/s 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。5第三章 二阶运算放大器仿真分析3.1、画电路图在 Linux 操作系统中画电路图，画图过程中使用一些快捷键（如 i、q等） ，画图时 MOS 管选择四端器件，器件参数按照实训要求修改，VBIS3 为1.5V、VBIS4 为 1.05V。如下：图 3.1
12、.1 二阶运算放大器电路图注：此电路图主要有 PMOS 管和 NMOS 管构成，并带有电源、米勒电容，运算放大器的工作原理是无限大的输入阻抗、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。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端、一个负输入端和一个输出端。 6修改后的带有反馈的电路图如下：图 3.1.2 带有反馈调节的放大器电路图3.2、二阶运算放大器仿真分析（1）启动 ADE，使用 Spectre 仿真，做交流分析其频率响应，仿真出低频开环增益。操作：在画好电路图的基础上，保存电路图，若有错误，及时修改，注意出现的警告提示是否影响仿真。在电路
13、图无误的情况下进行仿真，首先添加035 工艺，然后选择 ac，起始于 10，终止于 10G，接着选择输出端，最后点击仿真。如下图：图 3.2.1 交流下的低频开环增益图注：有图可知在 10Hz 时，低频开环增益为 8.864V。7（2）作瞬态分析，要求输入正弦波峰峰值 0.1mV，频率 1KHz，输出无失真。验证放大倍数。操作：修改 VINN 的参数，1KHZ，0.1mv，然后分别仿真出输出、输入的波形图，如下：图 3.2.2 放大倍数图（3）通过分析电路、仿真设计一个二阶放大器，放大倍数约 80dB，给出具体电路与晶体管尺寸以及低频交流仿真结果。操作：修改晶体管的 w 为 59um，重复（1
14、）中的操作，然后再选中输入VINP 进行仿真。如下图：图 3.2.3 80dB 放大倍数仿真图注：w 为 59um 时，放大倍数约为 80dB。8（4）交流仿真出-3dB 带宽，单位增益带宽，相位裕度。操作：在起始基础上，不改动晶体管的尺寸，重复（4）中操作。如下图：图 3.2.4 -3dB 带宽图注：带宽约为-3dB 时，约为 41.113deg。（5）通过修改电路的米勒电容，使相位裕度大于 60。操作：将米勒电容修改为 6PF，仿真，如下图：图 3.2.5 大于 60 度的相位图注：米勒电容为 6PF 时，在 0dB 处，相位裕度大于 60 度。9（6）仿真验证共模输入范围 ICMR。操作
15、：去掉 VINP，添加一个反馈，对输出端进行仿真，如下图：图 3.2.6 共模输入范围图注：共模输入范围为 200mV 至 4.71V。 （7）仿真输出摆幅。操作：修改电路图，去掉 VINP，并添加反馈，然后仿真输出输入波形。如下图图 3.2.7 摆幅图10（8）仿真转换速率 SR。 操作： 仿真出输出波形，电压差比相对应的时间差即为转换速率。如下图：图 3.2.8 SR 图注：由图得电压差为 3V，时间差为 0.11us，所以 SR 约为 30v/us。（9）计算放大器电路功耗。操作：仿真显示出电流电压，如下图：图 3.2.9 功耗图注：由图得电压为 5v，电流为 576uA,所以功耗为 0
16、.00288J。11第四章 实训总结我在一周的时间里通过一系列的仿真，对二阶运算放大器的相关参数（如低频开环增益、-3dB 带宽、相位裕度、输出摆幅、转换速率、功耗等）有了进一步的认识和直观的了解，通过仿真出来的图可以清晰明了的认识这些参数；总之通过这次的课程设计，加深了我对模拟电路的认识，强化了我对解决实际电路设计问题。培养了我们独立思考、认识问题、解决问题的能力。我这次所选的题目为设计二阶运算放大器，虽然设计过程中遇到了一些麻烦，但经过请教老师和与同学之讨论都得到了解决。同时由于长时间未接触 Linux 系统，所以在开始时对 IC5141 这款软件的操作还不怎么熟悉，快捷键的使用都忘记了，通过与同学的交流才慢慢记起，这些过程让我受益匪浅。总之，很高兴能有这样的践机会让我学到了很多。12参考文献1陈铖颖.CMOS 模拟集成电路设计与仿真实例 M. 北京：机械工业出版社，20082何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真M.北京：科学出版社，20083胡宴如. 模拟电子技术. 北京：高等教育出版社4洪志良.模拟集成电路分析与设计.北京：中国电力出版社，19965杨志忠. 数字电子技术. 北京：高等教育出版社
