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运算放大器的保护环设计

运算放大器的保护环设计
运算放大器的保护环设计

关于运放保护环

在弱信号放大的情况下,尤其是对弱电流放大的情况下,有可能需要在运放的输入端加一个保护环(guard ring,或称屏蔽环),目的是抑制漏电流对运放输入端造成影响。

先说漏电流的形成。所谓漏电流,也是电流,它的形成也不外乎电压和电阻,这里的电压是比较复杂,包括运放供电的电压,也包括信号的电压和外界干扰的电压。这里的电阻是漏电阻,是指两个网络节点在理想情况下应该是无穷大的实际电阻,漏电阻可能在几百兆或上百G欧姆范围。影响漏电阻的因素有PCB的材料、劣质的PCB走线层及PCB的污染,PCB 的污染包括电路板表层的油污、空气潮湿、助焊剂和电路板清洗剂等,这些物质的存在会形成漏电流路径。比如说,5V的供电电源处于输入引脚处之间的电压是5V,由于电路板污染的存在,它们之间的漏电阻为100G欧,那么形成的漏电阻就是50pA,这个数值可能比高精度运放的偏置电流大几十倍,这就是为什么要抑制漏电流的原因。对于直流来说,影响可能还能校正过来,但外界的干扰或被测信号的影响来说,那可能是致命的,无法校正的。

漏电流的抑制方法。这个方法就是加保护环,保护环的添加有几个注意点及其原因:

一是保护环与被保护对象的电位要相等或接近,目的是减小压差,在保护环内电位基本相等,从而减小漏电流,这是针对环内来说的。

二是保护环要接到尽量低的阻抗点上,即被低阻抗的源所驱动。这一点是针对环外来说的,如果外界对保护环有漏电流,那么电流通过低阻抗源可以更容易导走,而不至于过多地影响环的电位。如下图所示,它是AD公司推荐的两种接法,前者是反相放大形式的接法,由于同相端接地,它的阻抗是0,所以保护环绕反相端保护,而接到同相端;后者是同相放大形式的接法,同相端的阻抗是很大的,所以相比之下,把保护环保护同相端而接到反相端更好。后面的图是保护环的画法。

下面的图是LT公司的接法,我觉得用这种跨电阻的方式来留出保护环空间的方法挺不错的,但还没想到充分的理由。

三是要尽量把被保护对象包起来,包括上下左右各个方向,建议用多层板。有人说,芯片引脚下面有没有必要也铺一层铜,连到保护环上?我个人觉得如果有条件还是要尽量这样做。因为,垂直运放引脚的焊盘方向,它的面积最大,从下面(顶层下面的中间层)过来的信号会更容易通过电路板材料(如X4R等介质材料)像焊盘注入漏电流。当然,中间层不存在污染问题,如果相比顶层的污染来说,这些微不足道,那也可以不加,毕竟多层板会增加成本。

CMOS二级运算放大器设计

CMOS二级运算放大器设计 (东南大学集成电路学院) 一.运算放大器概述 运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路,在某种程度上,可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。 它的主要参数包括:开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。 二.设计目标 1.电路结构 最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。主要包括四部分:第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 图两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成,M1~M4构成有源负载的差分放大器,M5提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路,作为运放的输出级。M6 提供给M7 的工作电流。M8~M13组成的偏置电路,提供整个放大器的工作电流。相位补偿电路由M14和Cc构成。M14工作在线性区,可等效为一个电阻,与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间,构成RC密勒补偿。 3.设计指标 两级运放的相关设计指标如表1。

表1 两级运放设计指标 三.电路设计 第一级的电压增益: )||(422111o o m m r r g R G A == 第二级电压增益: )||(766222o o m m r r g R G A =-= 所以直流开环电压增益: )||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -== 单位增益带宽: c m O C g A GBW π2f 1 d == 偏置电流: 2 13 122121)/()/()/(2??? ? ??-=L W L W R L W KP I B n B 根据系统失调电压: 7 5 6463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W == 转换速率: ? ?? ???-=L DS DS C DS C I I C I SR 575,min 相位补偿: 12.1)/()/()/()/(1 61311 146 6+== m m m C g g L W L W L W L W g R

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)

折叠式共源共栅运算放大器设计

折叠式共源共栅运算放大器

目录 一.摘要 (2) 二.电路设计指标 (3) 三.电路结构 (3) 四.手工计算 (7) 五.仿真验证 (10) 六.结论 (12) 七.收获与感悟 (12) 八.参考文献 (13)

摘要 运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用,针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。本文完成了一个由pmos作输入的放大器。vdd为3.3v,负载电容为1pf,增益Av 大于80dB,带宽GBM大于100MHz的放大器。输出级采用共源级结构以提高输出摆幅及驱动能力,为达到较宽的带宽,本文详细分析推导了电路所存在的极零点,共源共栅镜像电流源产生Ibias。选择P沟道晶体管的宽度和长度,使得它们的m g 和ds r 与N沟道晶体管的情况相匹配。 关键字:运算放大器、共源共栅级、极点 Abstract Operation amplifiers are widely used in many field s nowadays。All kinds of differential operation amplifiers appear f6r special application.One basic cell of which is fully differential operation amplifiers is designed in the thesis.Power Supply 3.3v,load capacitor 1pf,Gain>80dB,GBM>100MHz。The output stage is common source amplifier for getting proper DC operation point,for the purpose of wider bandwidth,we carefully analysis the pole and zero in the circuit ,use common source common gate as current Ibias。Choose pmos w/l to make their mg and dsr which can match with nmos。 Kay words:Operation amplifiers、common source common gate、pole

两级运算放大器的仿真验证

实验一、两级运算放大器的仿真验证 一、实验目的 1、学习集成运算电路单元的设计参数的仿真、测试、验证。 2、学习采用Cadence工具实现IC电路设计的基本操作和方法,包括电路图的编辑以及仿真调试过程。 二、实验内容 本实验通过设计一个两级运算放大器电路学习Cadence工具下电路的设计和仿真方法。实验内容包括: 1.熟悉Cadence界面及基本的建立新的cell文件等基本过程; 2.完成两级运算放大器电路的设计; 3.利用Cadence的仿真环境得到波形,分析仿真结果。 该电路设计采用上华CSMC0.5umCMOS工艺设计,工作电压5V。 三、实验原理 运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路,在某种程度上,可以把它看成一个类似于BJT或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。

它的主要参数包括:开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等主要包括四部分:第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 1.共模抑制比:差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力,常用 共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其定义为放大器对差模信号的电 压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,称为共模抑制 比,英文全称是Common Mode Rejection Ratio,因此一般用简写CMRR 来表示,符号为Kcmr,单位是分贝db。 2.共模输入范围:是指在差分放大电路中,二个输入端所加的是大小相 等,极性相同的输入信号叫共模信号,此信号的范围叫共模输入信号范 围。 3.电源抑制比:是输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量 (以伏为单位)的比值(PSRR),常用分贝表示。通常把满量程电压变化 的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。 4.输出摆幅:指的是,当输出信号为电压的时候,外部量的变化引起的输 出电压变化。对于无源器件,这个变化通常是从某个负电压到某个正电 压。而对于有源器件,这个变化是相对于某个固定电压,做一定幅度的 上下偏移。(无源器件也可以看作是相对电压0做偏移)。 四、实验步骤 1、登陆到UNIX系统。 在登陆界面,输入用户名stu01和密码123456。 2、Cadence的启动。 登录进去之后,点击Terminal出现窗口,输入icfb命令,启动Cadence软件。 3、根据设计指标及电路结构,估算电路参数。 4、利用Candence原理图的输入。 (1)Composer的启动。在CIW窗口新建一个单元的Schematic视图。 (2)添加器件。在comparator schematic窗口点击Add-Instance或者直

运算放大器应用设计的技巧总结

运算放大器应用设计的几个技巧 一、如何实现微弱信号放大? 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路,在这种应用中,一个典型的问题是传感器提供的电流非常低,在这种情况下,如何完成信号放大?张世龙指出,对于微弱信号的放大,只用单个放大器难以达到好的效果,必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段,而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构,包括传感器的方波激励,电流转电压放大器,和同步解调三部分。他表示,需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。 另有工程师朋友建议,在运放、电容、电阻的选择和布板时,要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充,如网友“1sword”建议: 1)电路设计时注意平衡的处理,尽量平衡,对于抑制干扰有效,这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩,将微弱信号部分罩起来(开个小模具),金属体接电路地,可以大大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的nA?级,选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求,运放也不贵。仪表放大器当然最好了,就是成本高些。 4)若选用非仪表运放,反馈电阻就不要太大了,M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大,中间加入简单的高通电路,抑制50Hz干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时,工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择,比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?有的网友建议用参考电压源,理由是精度高,此外还能提供较低的交流旁路,有的网友建议用电阻,理由是成本低而且方便,对此,张世龙没有特别指出用何种方式,只是强调双电源运放改成单电源电路时,如果采用基准电压的话,效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式,必须考虑电源纹波对系统的影响,这种用法噪声比较高,PSRR比较低。 三、如何解决运算放大器的零漂问题? 有网友指出,一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换,可是在传感器动态工作时,电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生,如何解决这个问题? 对此,网友“Frank”分析道,有几种可能性会导致零漂:1)反馈电容ESR特性不好,随电荷量的变化而变化;2)反馈电容两端未并上电阻,为了放大器的工作稳定,减少零漂,在反馈电容两端并上电阻,形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点;3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高,造成电荷泄露,导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析,认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大,运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小,即反馈电阻的作用是为了防止漂移,稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话,也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑! 而嘉宾张世龙则建议,对于电荷放大器输出电压不归零的现象,一般采用如下办法来解决: 1)采用开关电容电路的技巧,使用CDS采样方式可以有效消除offset电压;2)采用同步检测电路结构,可以有效消除offset电压。

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

采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计

目录 1. 设计指标 (1) 2. 运算放大器主体结构的选择 (1) 3. 共模反馈电路(CMFB)的选择 (1) 4. 运算放大器设计策略 (2) 5. 手工设计过程 (2) 5.1 运算放大器参数的确定 (2) 5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2) 5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3) 5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3) 5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3) 5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3) 5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3) 5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4) 5.1.8 确定偏置电压 (4) 5.2 CMFB参数的确定 (4) 6. HSPICE仿真 (5) 6.1 直流参数仿真 (5) 6.1.1共模输入电压范围(ICMR) (5) 6.1.2 输出电压范围测试 (6) 6.2 交流参数仿真 (6) 6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6) 6.2.2 共模抑制比(CMRR)的仿真 (7) 6.2.3电源抑制比(PSRR)的仿真 (8) 6.2.4输出阻抗仿真 (9) 6.3瞬态参数仿真 (10) 6.3.1 转换速率(SR) (10) 6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11) 7. 设计总结 (11) 附录(整体电路的网表文件) (12)

采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计 1. 设计指标 5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V V V V V V GB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mW μ>==?== >=±=?≤的范围 2. 运算放大器主体结构的选择 图1 折叠式共源共栅两级运算放大器 运算放大器有很多种结构,按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看, 有套筒 式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。本设计采用的是如图1所示的折叠式共源共栅两级运算放大器,采用折叠式结构可以获得很高的共模输入电压范围,与套筒式的结构相比,可以获得更大的输出电压摆幅。 由于折叠式共源共栅放大器输出电压增益没有套筒式结构电压增益那么高,因此为了得到更高的增益,本设计采用了两级运放结构,第一级由M0-M10构成折叠式共源共栅结构,第二级由M11-M14构成共源级结构,既可以提高电压的增益,又可以获得比第一级更高的输出电压摆幅。 为了保证运放在闭环状态下能稳定的工作,本设计通过米勒补偿电容Cc 和调零电阻Rz 对运放进行补偿,提高相位裕量! 另外,本文设计的是全差分运算放大器,与单端输出的运算放大器相比较,可以获得更高的共模抑制比,避免镜像极点及输出电压摆幅。 3. 共模反馈电路(CMFB )的选择 由于采用的是高增益的全差分结构,输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感,而且不能通过差动反馈来达到稳定,因此,必须增加共模反馈电路(CMFB )来检测两个输出端

全差分运算放大器设计

全差分运算放大器设计 岳生生(200403020126) 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器,设计指标如下: ?直流增益:>80dB ?单位增益带宽:>50MHz ?负载电容:=5pF ?相位裕量:>60度 ?增益裕量:>12dB ?差分压摆率:>200V/us ?共模电压:2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅:>±4V 二、运放结构选择

运算放大器的结构重要有三种:(a )简单两级运放,two-stage 。如图2所示;(b )折叠共源共栅,folded-cascode 。如图3所示;(c )共源共栅,telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ,即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ,输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构,都比较难达到该 要求,因此我们采用两级运算放大器结构。另外,简单的两级运放的直流增益比较小,因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大,故我们选择直接共源共栅的输入级,最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性,我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级:(1)、Cascode 级增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12) 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益: 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 (>200V/us ) 转换速率(slew rate )是大信号输入时,电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR :

二级运算放大器知识讲解

二级运算放大器

哈尔滨理工大学 软件学院 模拟IC课程设计报告 课程模拟IC设计 题目二级运算放大器 专业集成电路设计与集成 班级集成10-2班 学生唐贝贝 学号1014020227 指导老师陆学斌 2013年6月14日 目录 1.课程设计目的………………………………………………… 2.课程设计题目描述和要求……………………………………

3.课程设计具体内容…………………………………………… 3.1 设计过程分析…………………………………………… 3.2使用软件………………………………………………… 3.3 原理图…………………………………………………… 3.4 仿真网表………………………………………………… 3.5波形分析………………………………………………… 4.心得体会……………………………………………………… 一、课程设计目的 1.熟悉并掌握Hspice与cosmosScope软件的使用。 2.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表,学会用comosScope查看 分析波形。 3.锻炼学生独立完成二级运算放大器的能力。 4. 在扎实的基础上强化实践能力,把模拟IC理论实践化。 二、课程设计题目描述和要求 设计指标: 静态功耗:小于5mw 开环增益:大于70dB 单位增益带宽大于5MHz 相位裕量:大于60度 转换速率(SR)大于20V/us 共模抑制比:大于60dB 电源抑制比:大于70dB

输入失调:小于1mV 负载电容:2-4pF 要求: 1、手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确,保证每个晶体管的正常工作状态。 2、使用Hspice工具得到电路相关参数仿真结果,包括:幅频和相频特性(低频增益,相位裕度,单位增益带宽)、CMRR、PSRR、共模输入输出范围、SR 等。 3、每个学生应该独立完成电路设计,设计指标比较开放,如果出现雷同按不及格处理。 4、完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件,包括所有仿真电路的网表,仿真结果。 5、相关问题参考教材第六章,仿真问题请查看HSPICE手册。 三、课程设计具体内容 3.1理论计算: 3.2原理图

2016东南大学模电实验1运算放大器的基本应用

东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称:模拟电子电路实验 第 1 次实验 实验名称:运算放大器的基本应用 院(系):吴健雄学院专业:电类强化班 姓名:学号: 610142 实验室:实验组别: 同组人员:实验时间:2016年4月10日 评定成绩:审阅教师: 一、实验目的 1.熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法; 2.熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法; 3.了解运算放大器的主要直流参数(输入失调电压、输入偏置电流、输入 失调电流、温度漂移、共模抑制比,开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等)、交流参数(增益带宽积、转换速率等)和极限参数(大差模输入电压、大共模输入电压、大输出电流、大电源电压等)的基本概念; 4.熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法;

5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器测量输出波形。 二、预习思考 1.查阅 LM324 运放的数据手册,自拟表格记录相关的直流参数、交流参数 和极限参数,解释参数含义。

2.设计一个反相比例放大器,要求:|AV|=10,Ri>10K?,RF=100 k?,并用 multisim 仿真。 其中分压电路由100k?的电位器提供,与之串联的510?电阻起限流的作用。 3.设计一个同相比例放大器,要求:|AV|=11,Ri>10K?,RF=100 k?,并用 multisim 仿真。

三、 实验内容 1. 基本要求 内容一: 反相输入比例运算电路各项参数测量实验(预习时,查阅 LM324 运放的数据手册,自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数,解释参数含义)。 图 1.1 反相输入比例运算电路 LM324 管脚图 1) 图 1.1 中电源电压±15V ,R1=10k Ω,RF=100 k Ω,RL =100 k Ω,RP =10k//100k Ω。按图连接电路,输入直流信号 Ui 分别为-2V 、-0.5V 、0.5V 、2V ,用万用表测量对应不同 Ui 时的 Uo 值,列表计算 Au 并和理论值相比较。其中 Ui 通过电阻分压电路产生。 Ui/V Uo/V Au 测量值 理论值 -2 13.365 -6.6825 \

二级运算放大电路版图设计

1前言1 2二级运算放大器电路 1 2.1电路结构 1 2.2设计指标 2 3 Cadence仿真软件 3 3.1 schematic原理图绘制 3 3.2 生成测试电路 3 3.3 电路的仿真与分析 4 3.1.1直流仿真 4 3.1.2交流仿真 4 3.4 版图绘制 5 3.4.1差分对版图设计 6 3.4.2电流源版图设计 7 3.4.3负载MOS管版图设计 7 3.5 DRC & LVS版图验证 8 3.5.1 DRC验证 8 3.5.2 LVS验证 8 4结论 9 5参考文献 9

本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。以传统的二级运算放大器为例,在ADE电路仿真中实现0.16umCMOS工艺,输入直流电源为5v,直流电流源范围27~50uA,根据电路知识,设置各个MOS管合适的宽长比,调节弥勒电容的大小,进入stectre仿真使运放增益达到40db,截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。。版图设计要求DRC验证0错误,LVS验证使电路图与提取的版图相匹配,观看输出报告,要求验证比对结果一一对应。 关键词:cadence仿真,设计指标,版图验证。 Abstract In this paper, the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of 0.16umCMOS technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one. Key words: cadence simulation, design index, layout verification.

运算放大器应用电路的设计与制作

运算放大器应用电路的设计与制作 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”,当输入U -单独加于该端子时,输出电压与输入电压U -反相,故称它为反相输入端。U +对应的端子为“+”,当输入U +单独由该端加入时,输出电压与U +同相,故称它为同相输入端。 输出:U 0= A(U +-U -) ; A 称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。 在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到:开环电压增益A ud =∞;输入阻抗r i =∞;输出阻抗r o =0;带宽f BW =∞;失调与漂移均为零等理想化参数。 理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式:U O =A ud (U +-U -),由于A ud =∞,而U O 为有限值,因此,U +-U -≈0。即U +≈U -,称为“虚短”。 由于r i =∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即I IB =0,称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算。 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路,比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示,输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为: 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻 R ’=R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系,方向相反,改变比例系数,即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的一段是反向输入端: 图4 同相比例电路电路图 i 1 f O U R R U -=

常用运算放大器电路 (全集)

常用运算放大器电路(全集) 下面是[常用运算放大器电路(全集)]的电路图 常用OP电路类型如下: 1. Inverter Amp. 反相位放大电路: 放大倍数为Av = R2 / R1但是需考虑规格之Gain-Bandwidth数值。R3 = R4 提供1 / 2 电源偏压 C3 为电源去耦合滤波 C1, C2 输入及输出端隔直流 此时输出端信号相位与输入端相反 2. Non-inverter Amp. 同相位放大电路: 放大倍数为Av=R2 / R1 R3 = R4提供1 / 2电源偏压 C1, C2, C3 为隔直流

此时输出端信号相位与输入端相同 3. Voltage follower 缓冲放大电路: O/P输出端电位与I/P输入端电位相同 单双电源皆可工作 4. Comparator比较器电路: I/P 电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位 I/P 电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位 R2 = 100 * R1 用以消除Hysteresis状态, 即为强化O/P输出端, Logic高低电位差距,以提高比较器的灵敏度. (R1=10 K, R2=1 M) 单双电源皆可工作 5. Square-wave oscillator 方块波震荡电路: R2 = R3 = R4 = 100 K R1 = 100 K, C1 = 0.01 uF

Freq = 1 /(2π* R1 * C1) 6. Pulse generator脉波产生器电路: R2 = R3 = R4 = 100 K R1 = 30 K, C1 = 0.01 uF, R5 = 150 K O/P输出端On Cycle = 1 /(2π* R5 * C1) O/P输出端Off Cycle =1 /(2π* R1 * C1) 7. Active low-pass filter 主动低通滤波器电路: R1 = R2 = 16 K R3 = R4 = 100 K C1 = C2 = 0.01 uF 放大倍数Av = R4 / (R3+R4) Freq = 1 KHz 8. Active band-pass filter 主动带通滤波器电路:

两级运算放大器

两级运算放大器实验报告 一、实验名称:两级运算放大器 二、实验目的: 1.熟悉掌握Orcad captureCIS的使用方法以及常见的仿真方法和参数设置。 2.利用Orcad captureCIS设计两级运算放大器,并完成要求功能。 3.掌握运算放大器中的增益、带宽、输出摆幅、压摆率、速率、噪声等各个参数之间的折中调试。 三、实验步骤: (一)参数要求: 1.电源电压VCC= 2.7V. 2.CL=10pF. 3.增益Ad>80dB. 4.增益带宽积GW>5M. 5.共模电压输入范围ICMR=1~2V. 6.共模抑制比CMRR>70dB. 7.输出电压摆幅>2V. 8.diss<1mW. 9.SR>10V/us (二)实验步骤及数据: (1)由参数要求,共模电压输入范围为1~2V,电源电压为2.7V,Pdiss<1mW,由这些参数以及相位余度要为60度,由相应的公式估算出来,电路如图所示: 如电路所示,为一个差分输入级与共源放大器组成,采用了密勒补偿,按照计算步骤确定各个元件参数之后,下边进行仿真验证与调试。 (2)交流仿真验证增益带宽是否满足,仿真结果如图所示:

如图结果,增益Av=82dB,增益带宽积GW=6.6M,相位裕度有42度,满足要求,并且还有一定的余量。 (3)交流仿真验证共模电压输入范围ICMR与共模抑制比CMRR是否满足要求,仿真电路如图所示: 1、在仿真验证CMRR之前,先做了一个增益随共模输入电压的变化曲线,大致了解共模电压输入范围,结果如图所示: 如图所示,增益在大于80dB时,共模电压输入范围为0.96V~2.66V,能达到要求,且还有余量。 2、现在仿真验证一下CMRR随共模电压的变化曲线,需要更改仿真电路图,更改的电路图如图所示:

最新运算放大器设计总结

运算放大器的基本参数 1. 开环电压增益A OL 不带负反馈的状态下,运算放大器对直流信号的放大倍数。电压反馈运算放大器采用电 压输入/电压输出方式工作,其开环增益为无量纲比,所以不需要单位。但是,数值较小时,为方便起见,数据手册会以V/mV或V/ yV代替V/V表示增益,电压增益也可以dB形式表示,换算关系为dB = 20 xiogAVOL。因此,1V/ ^V的开环增益相当于120 dB,以此类推。该参数与频率密切相关,随着频率的增加而减小,相位也会发生偏移。 对于反向比例放大电路,只有当AOL >> R+Rf时,Vo=-Rf/RVi才能够成立。 Frequency (Hz) 2. 单位增益带宽B1 (Gain-Bandwidth Product) 开环电压增益大于等于 1 (OdB )时的那个频率范围,以Hz为单位。它将告诉你将小 信号(?土100mV )送入运放并且不失真的最高频率。在滤波器设计电路中,假定运放滤波器增益为 1V/V,则单位增益带宽大于等于滤波器截止频率f cut-off x 100。 3.共模抑制比CMRR 差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,CMRR=|Ad/Ac|。共模输入电压会影响到 输入差分对的偏置点。由于输入电路内部固有的不匹配,偏置点的改变会引起失调电压改变, 进而引起输出电压改变。其实际的计算方法是失调电压变化量比共模电压变化量,一般来说CMRR= △ Vos/ △ Vcom , TI及越来越多的公司将其定义为CMRR= △ Vcom/ △ Vos。在datasheet中该参数一般为直流参数,随着频率的增加而降低。

CCMMDN-MODE REJECTION RATIO vt. FREQUENCY 4. 输入偏置电流Ibias 输入偏置电流被定义为:运放的输入为规定电位时,流入两个输入端的电流平均值。记为IB。为了运放能正常的工作,运放都需要一定的偏置电流。IB=(IN+IP)/2。 当信号源阻抗很高时,就必须关注输入偏流,因为如果运放有很大的输入偏流,就会对信号源构成负载,因而会看到一个比预想要低的信号源输出电压,如果信号源阻抗很高,那 么最好使用一个以CMOS或者JFET作为输入级的运放,也可以采用降低信号源输出阻抗的方法,就是使用一个缓冲器,然后用缓冲器来驱动具有很大输入偏流的运放。 在双级输入级的情况下,可以使用对失调电流进行调零的方法,就是使从两个输入端看到的阻抗相互匹配。在CMOS和JFET输入电路的情况下,一般来说,失调电流不是问题,也没有必要进行阻抗匹配了。 5. 输入失调电流Ios 当运放的输出端置于规定电位时,流入运放两个输入端的电流之差的绝对值。 I OS=|IN-IP| 6. 电源抑制比PSRR 电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值,单位是dB。对于双电源运放,PSSR= △ V cc士/ △ V os士。PSSR随着频率的增加而下降。开关电源产生的噪声频率从50kHz到500kHz或更高,在这些高频下,PSSR的值几乎为零,所以,电源上的 噪声会引起运放输出端上的噪声,对此必须使用恰当的旁路技术。

运算放大器应用电路的设计与制作(1)

运算放大器应用电路的设计与制作 (一) 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”,当输入U -单独加于该端子时,输出电压与输入电压U -反相,故称它为反相输入端。U +对应的端子为“+”,当输入U +单独由该端加入时,输出电压与U +同相,故称它为同相输入端。 输出:U 0= A(U +-U -) ; A 称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。 在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到:开环电压增益A ud =∞;输入阻抗r i =∞;输出阻抗r o =0;带宽f BW =∞;失调与漂移均为零等理想化参数。 2.理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式:U O =A ud (U +-U -),由于A ud =∞,而U O 为有限值,因此,U +-U -≈0。即U +≈U -,称为“虚短”。

由于r i =∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即I IB =0,称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算。 3. 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路,比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示,输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为: 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻 R ’=R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系,方向相反,改变比例系数,即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的一段是反向输入端: i 1 f O U R R U - =

集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)

集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案) 3.1 集成运算放大器认识与基本应用 在太阳能充放电保护电路中要利用集成运算放大器LM317 实现电路电压检测,并通过 三极管开关电路实现电路的控制。首先来看下集成运算放大器的工作原理。 【项目任务】 测试如下图所示,分别测量该电路的输出情况,并分析电压放大倍数。 信息单】 集成运放的实物如图3.2 所示。 图3.2 集成运算放大 1. 集成运放的组成及其符号 各种集成运算放大器的基本结构相似,主要都是由输入级、中间级和输出级以及偏置电路组成,如图3.3 所示。输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成;中间级的作用是获得较大的电压放大倍数,可以由共射极电路承担;输出级要求有较强的带负载能力,一般采用射极跟随器;偏置电路的作用是为各级电路供给合理的偏置电流。

图3.3 集成运算放大电路的结构组成集成运放的图形和文字符号如图3.4 所示。 图3.4 集成运放的图形和文字符号 其中“ -”称为反相输入端,即当信号在该端进入时,输出相位与输入相位相反;而 “+”称为同相输入端,输出相位与输入信号相位相同。 2. 集成运放的基本技术指标集成运放的基本技术指标如下。 ⑴输入失调电压U OS 实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称,当输入电压为零时,输出电压并不为零。规定在室温(25℃ )及标准电源电压下,为了使输出电压为零,需在集成运放的两输入端额外附加补偿电压,称之为输入失调电压U OS,U OS 越小越好,一般约为0.5~5mV 。 ⑵开环差模电压放大倍数A od 集成运放在开环时(无外加反馈时),输出电压与输入差模信号的电压之比称为开环差模电压放大倍数A od。它是决定运放运算精度的重要因素,常用分贝(dB) 表示,目前最高值可 达140dB(即开环电压放大倍数达107)。 ⑶共模抑制比K CMRR K CMRR 是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,即K CMRR = A A od,其含义与差 动放大器中所定义的K CMRR 相同,高质量的运放K CMRR 可达160dB 。 ⑷差模输入电阻r id r id 是集成运放在开环时输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比,即从输入端看进去的动态电阻,一般为M Ω数量级,以场效应晶体管为输入级的r id 可达104M Ω。分析集成运放应用电路时,把集成运放看成理想运算放大器可以使分析简化。实际集成运放绝大部分接近理想运放。对于理想运放,A od、K CMRR 、r id 均趋于无穷大。 ⑸开环输出电阻r o r o 是集成运放开环时从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小,说明运放的带负载能 力越强。理想集成运放r o趋于零。 其他参数包括输入失调电流I OS、输入偏置电流I B、输入失调电压温漂d UOS/d T 和输入失 调电流温漂d IOS/ d T、最大共模输入电压U Icmax、最大差模输入电压U Idmax 等,可通过器件

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