运算放大器仿真设计
运算放大器设计与仿真-安超群
1.反馈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
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
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
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M3 确定M1 确定M5
确定M6
确定M7
如何确定uCox以及沟长调制系数λ？
• 3.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
使用caculator中的settling time 函数计算建立时间。
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。
直接测量或使用caculator中的slew rate函数计算转换速率。
运算放大器的设计与仿真
2012年3月5日
• 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
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
1.运放的基本结构
套筒式
折叠式
两级运放
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
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。
运算放大器的电路仿真设计
运算放大器的电路仿真设计一、电路课程设计目的错误!深入理解运算放大器电路模型,了解典型运算放大器的功能,并仿真实现它的功能;错误!掌握理想运算放大器的特点及分析方法(主要运用节点电压法分析）；○3熟悉掌握Muｌtisiｍ软件。
二、实验原理说明（1）运算放大器是一种体积很小的集成电路元件,它包括输入端和输出端。
它的类型包括:反向比例放大器、加法器、积分器、微分器、电压跟随器、电源变换器等.（2）(３)理想运放的特点:根据理想运放的特点,可以得到两条原则：(a）“虚断”:由于理想运放,故输入端口的电流约为零，可近似视为断路,称为“虚断”。
（b)“虚短”:由于理想运放Ａ,，即两输入端间电压约为零,可近似视为短路,称为“虚短”.已知下图，求输出电压。
理论分析:由题意可得:(列节点方程)011(1)822A U U +-=0111()0422B U U +-= A B U U =解得:三、 电路设计内容与步骤如上图所示设计仿真电路.仿真电路图：V18mVR11ΩR22ΩR32ΩR44ΩU2DC 10MOhm0.016V +-U3OPAMP_3T_VIRTUALU1DC 10MOhm0.011V +-根据电压表的读数,，与理论结果相同．但在试验中，要注意把电压调成毫伏级别，否则结果误差会很大,致结果没有任何意义。
如图所示,电压单位为伏时的仿真结果:V18 VR11ΩR22ΩR32ΩR44ΩU2DC 10MOhm6.458V +-U3OPAMP_3T_VIRTUALU1DC 10MOhm4.305V +-，与理论结果相差甚远。
四、 实验注意事项1)注意仿真中的运算放大器一般是上正下负,而我们常见的运放是上负下正,在仿真过程中要注意。
2)由于运算放大器的工作范围是有限的,因此,在仿真时要把Uａ和Ub的范围在毫伏或者更小的单位内，使运放在其线性范围内工作，这样结果才会更准确。
五、电路课程设计总结通过本次试验，我验证了理想运算放大器在线性工作区内“虚短虚断”的性质，学会了用模拟软件对含理想运算放大器电路的分析，加深了对含理想运算放大器电路的理解。
运算放大器的设计与仿真
集成运算放大器放大电路仿真设计1集成运算放大器放大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。
2 电路原理分析2.1 电路如图1所示R110kΩV1500mVU1ATL082CD32481R29.1kΩRF100kΩV212 VV312 VXMM11此电路为反向比例运算电路，这是电压并联负反馈电路。
输入电压V1通过电阻R1作用于集成运放的反相输入端，故输出电压V0与V1反相。
图2 仿真结果图输入输出关系理论输仿真输出值电路功能其中1//2R RF R =2.2电路如图3所示R110kΩUi2200mVU1ATL082CD32481R24.7kΩRF 100kΩV212 VV312 VXMM1Ui1100mV R310kΩ3此电路为反相求和运算电路，其电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端，根据“虚短”和“虚断”的原则，0==p N u u ，节点N 的电流方程为F i i i =+31 所以)1231(0R Ui R Ui RF U +-= 输入输出关系理论输出值 仿真输出值电路功能 )1231(0R Ui R Ui RF U +-=-3V 2.999V反相求和放大电路其中RF R R R //3//12= 2.3电路如图5所示出值110V R RFV -=-5V-5V反相比例运算电路U1ATL082CD32481R210kΩRF 10kΩV212 VV312 VXMM1Ui1100mV5此电路为电压跟随器电路，此电路输出电压的全部反馈到反相输入端，电路引入电压串联负反馈，且反馈系数为1，由于N P u u u ==0，故输出电压与输入电压的关系为I O u u =图6 仿真结果图输入输出关系理论输出值 仿真输出值 电路功能 I O u u =100mV1000.008mV电压跟随器2.4 电路如图7所示R110kΩUi1100mVU1ATL082CD32481R2100kΩRF 100kΩV212 VV312 VXMM1Ui2200mVR310kΩ7从对比例运算电路和求和运算电路的分析可知，输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因而如果多个信号同时作用于两个输入端时，就可以实现加减运算。
运算放大器的设计与仿真-安超群
9、电源稳定性的判断，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。
四、应用于DC-DC中的误差放大器
参考资料
模拟CMOS集成电路设计。毕查德.拉扎维。 模拟集成电路设计与仿真。何乐年。 CMOS模拟集成电路设计。P.E.Allen. 下载资料： CMOS运放性能参数仿真规范。 运放稳定性。 Frequency response.
谢 谢！
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
1.运放的基本结构
套筒式
折叠式
两级运放
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
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=10。要 求增益误差为1%，确定开环增益的最小值。
判断如下系统是否稳定？
两级运放的补偿 问题：为什么两级运放需要补偿？
密勒补偿原理：
控制零点的密勒补偿
测试原理图如下所示：
环路稳定性测试
环路增益，开环增益，闭环增益的关系？ 零极点的联系？
闭合速度稳定性检查法
如何估计零极点？
实例环路稳定性分析
开环 环路
闭环
由图可知，开环 GBW 必须小于闭环 的零点，才能保证环路的稳定性。
运放仿真方法整理
运放仿真方法整理运算放大器的仿真包括直流工作点仿真(OP)、直流扫描仿真(DC)、交流小信号仿真(AC)、瞬态仿真(TRAN)等等。
DC仿真又包括共模输入和输出范围、输入失调电压仿真；AC仿真包括开环增益、带宽、相位裕度、共模抑制比、电源抑制比等等；TRAN仿真包括大、小信号摆率、过冲、建立时间等等。
1直流扫描仿真1.1输入失调电压(V OS)仿真图1-1所示为运放输入失调电压的实际测量方法。
将运放接成单位负反馈的形式，并在正输入端加一个合适的直流电平V CM。
只要运放开环增益足够大则输出端电压即为输入直流电平加上输入失调电压。
由此可很方便地测量得到V OS。
实际CMOS运放的V OS约为mV量级，由非无限大开环增益引入的正、负输入端的压差为V CM/(1+A)，因此对于增益大于10000(80dB)的运放该误差对V OS测量造成的影响可以忽略。
图1-1运放输入失调电压测量结构必须注意的是，仿真得到的V OS仅由偏置失配造成，属于系统失调。
实际运放的输入失调电压的主要影响因素为元器件失配，而仿真器中会假设所有器件完全相同，因此仿真得到的失调电压并不能准确表征实际情况。
1.2共模输入范围(ICMR)和输出摆幅(SW)仿真将运放接成如图1-2(a)所示的单位负反馈的形式，将正输入端的电压从0至V DD进行直流扫描，观察输出端的电压变化曲线，即可观察该单位缓冲器的线性范围。
在运放的线性工作区域内，直流扫描曲线的斜率为45°，即输出能够良好跟随输入；在线性范围之外，则曲线发生弯曲，如图1-2(b)所示。
(a)仿真电路结构(b)输出随输入变化曲线图1-2输入共模范围仿真用该结构仿真得到的线性范围同时受到输入共模范围和输出摆幅的限制，因此无法用该结构精确测得ICMR。
对于一般的运放，输出摆幅范围通常大于输入共模范围，故该方法能够大致预估输入共模范围。
图1-3(a)所示的反相电压放大器增益为-10。
5、运算放大器仿真设计(一)
将原理图实例化，绘制如上电路图，在输入端加 上2.5V的直流电压，查看输出端out的电压
仿真后，在Analog Design Environment界 面选择Tools->Results Browser，通过结果 浏览器来看仿真的输出结果
双击dc0p-dc,右击out，选择Table，可以看出，当 同相端和反向端接入2.5V电压时，输出电压为 3.44v，说明运放可以正常工作
其版图设计从平面布局到各器件的几何图形的设计都要十 分的“讲究”，需要考虑的问题往往比数字集成电路多得 多。
如果在电路级上而不是在逻辑级上来考虑和优化一个数字 集成电路的性能，这将与模拟集成电路有许多共同点，对 高速数字集成电路的设计尤其如此。
性能指标要求
低频小信号放大倍数、单位增益带宽、相 位裕度、输出摆幅、共模抑制比、电源电 压抑制比、功耗等
瞬态分析
对电路中各节点电压和支路电流等变量进行 时域分析，对时间变量的响应，以得到电路 的失真度、延迟、转换速率和建立时间
参数扫描分析
用于仿真电路中某个元件的参数在一定取值 范围内变化时，对电路直流工作点、瞬态特 性、交流频率特性的影响
CMOS两级运放的电路结构(见课本P167页)
运放性能指标
Check and Save一下，可能有两个警告，可 以先忽略(不要删除错误符号)，接下来采用 spectre对电路进行仿真
• 仿真的时候选择dc，并保存直流工作点信 息
仿真结果没有波形信号，只能查看各点电压、 电流
可以按如下操作修改一下显示参数，在原理 图上显示id，vds，vgs和MOS管的四个端点电 压
运算放大器仿真设计(一)
模拟集成电路 设计流程图
运算放大器电路仿真
模拟电子技术课程实践项目安排运算放大器的仿真分析与传输特性测绘[元件原理]in R →∞根据理想运放的特点，0R 0→，A →∞，可以得到以下两条规则。
（1）“虚断”：由于理想运放in R →∞，则0,0,a b i i ≈≈故输入端口的电流约为零，可近似视为断路，称为“虚断”。
（2）“虚短”：由于理想运放A →∞，0u 为有限量，则0u 0b b u u A -=≈，即两输入端间电压约等于零，可近似视为断路，称为“虚短”。
[仿真分析]1、 不同运算放大器的增益分析反向比例器：电压并联负反馈因为有负反馈，利用虚短和虚断，u + =0，u －=u +=0（虚地），电压放大倍数:1f i o R R u u A -==fo 1iR u R u -=同相比例器：电压串联负反馈因为有负反馈，利用虚短和虚断，u -= u += u i ，i 1=i f （虚断），电压放大倍数:1fi o 1R R u u A +==电压跟随器：因为有负反馈，利用虚短和虚断：u i =u += u -= u o 电压放大倍数A u =1foi 1i 0R u u R u -=-加法运算电路0==-+u u ，i 1 + i 2= i f ，f o 2i21i1R u R u R u -=+，)(i22f i11f o u R R u R R u +-= 若R 1 =R 2 =R , )(i2i1fo u u RR u +-=积分电路：Ru i i=∴虚地 t i C u u d 1C C O ⎰-=-= t u RC d 1i ⎰-=微分电路：u -= u += 0 ，dt du Ci i C =，C i i =，R i u -=O ，dtduRC u i o -=2、运算放大器传输特性测绘利用U（有效值）=30V的正弦波作为激励源测绘经过放大器的波形，可以发现波形最低和最高峰分别为-20V和+20V，当激励源电压回到0V附近时输出波形有一小段斜线下落，可以得出此运算放大器的传输特性为：其中Uo=20V。
运算放大器的设计与仿真
运算放大器的设计与仿真设计要求：1.增益稳定性：运算放大器的增益应该能够在所需的频率范围内保持稳定。
2.输入阻抗：运算放大器应具备较高的输入阻抗，以减少对输入信号的干扰。
3.输出阻抗：运算放大器应具备较低的输出阻抗，以减小对外界负载的影响。
4.带宽：运算放大器应具备较宽的带宽，以满足对高频信号的放大需求。
5.稳定性：运算放大器应具备较高的稳定性，以避免产生自激振荡或输入偏移。
电路结构：差分输入级：差分输入级是运算放大器的核心部分，用于接受差分输入信号。
它由两个差分对组成，每个差分对由两个晶体管连接而成。
差分输入级的输入阻抗较高，能够减小对输入信号的干扰，提高共模抑制比。
共模放大级：共模放大级用于放大输入信号的共模部分。
它由一对电流镜电路和一个差分放大电路组成。
共模放大级的放大倍数影响运算放大器的共模抑制比和输入选择性。
输出级：输出级用于提供对外的放大信号。
它由输入级的晶体管、电源和输出级负载组成。
输出级应具备较低的输出阻抗，以便与外界负载匹配。
参数选择：参数选择是运算放大器设计的重要环节。
下面是几个常见参数的选择方法：增益：增益可以根据具体应用需求来设定。
一般来说，增益越高，对输入信号的放大效果越好，但也容易引入噪声和干扰。
带宽：带宽取决于应用的特定频率范围。
选择较高的带宽可以满足对高频信号的放大需求，但也可能引入频率抖动和畸变。
输入阻抗：输入阻抗应根据信号源的特性来选择。
如果信号源的输出阻抗较高，则需要选择较低的输入阻抗以保证信号传输。
输出阻抗：输出阻抗应根据负载的特性来选择。
如果负载的输入阻抗较高，则需要选择较低的输出阻抗以提供足够的电流输出。
稳定性：稳定性可以通过选择合适的电容和电阻来提高。
一般来说，通过增加补偿电容和添加反馈电阻可以提高运算放大器的稳定性。
仿真：对于运算放大器的设计，可以使用电子设计自动化软件进行仿真验证。
主要包括以下步骤：1.输入基本电路参数，如晶体管的参数、电源电压等。
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实 验 指 导 书
仪器与电子学院
运算放大器
一、实验目的
1、了解CMOS运算放大器主要指标的仿真方法；
2、理解和掌握CMOS运算放大器主要指标的设计方法，能够按照所需要求设计运算放大器。
二、实验器材
1.台式计算机；
2.模拟集成电路仿真设计EDA工具。
三、实验内容
1、在给定的仿真测试电路中仿真测量功耗（电流大小）、增益、增益带宽积、相位裕量、噪声等运算放大器的主要参数。
图11
各参数含义如下：
“Type”：计算噪声的方式
“spot noise”：给出某个频率点上的噪声报告。这实际是反映功率谱密度。
“integrated noise”：将频段内的噪声带权重的积分后给出噪声报告。这是给出的带内噪声功率值。带权重是指在某些频带内
“noise unit”：噪声的单位是采用电压单位“V”或是功率单位“V2”。
2、按照要求设计一个两级运算放大器。
注意：
1、从虚拟机Cadenc's Home进入st02文件夹，将test文件夹中的文件拷贝到虚拟机的test文件夹中，然后启动cadence可以进行仿真。
2、仿真电路添加库文件与前面的实验不同：1、仿真文件在文件夹05MIXDTSSA01V10中；2、需要添加三次，section中分别添加tt（晶体管工艺角）、restypical（电阻工艺角）、captypical（电容工艺角），具体如下图红框内所示：
图16
图17输出范围仿真电路图18失调仿真电路
“Filter”：用户可以选择性的给出部分器件的噪声报告。在列表中给出了可供选择的器件。
“include All Types”：自动选择列表中的所有。
“include None”：将列表中所有项目都删除。
“include instances”：列出包括在噪声报告中的器件。
“Select”：选择器件
“Clear”：删除器件
图8频率特性仿真结果
查看噪声仿真结果
点击菜单栏“results”—>“direct plot”—>“Equivalent Input Noise”，然后可以看到等效输入噪声仿真结果，如下所示。
图9Βιβλιοθήκη 图10点击菜单栏“results”—>“Print”—>“Noise Summary”，然后弹出图11。
“exclude instances”：列出不包括在噪声报告中的器件。
“Truncate & Sort”：
“truncate”：根据每个器件的噪声大小，限制在噪声报告中列出的器件个数。
“none”：所有器件都将列出。
“by number”：根据器件贡献噪声的大小排名，限制列出的器件个数。
“by relative threshold”：将贡献噪声超过总噪声规定百分比的器件列出。
“Frequency Spot（Hz）”：计算噪声的频率点，默认频率点是1KHz。报告给出该
频率点的功率谱密度。
“From（Hz）”，“To（Hz）”：频率积分的范围。
“weighting”：是否需要对某些频率的积分施予权重。
“flat”：在整个频带内均匀积分。
“from weight file”：依据权重文件中的定义对频带内的噪声积分。
点击菜单栏“results”—>“Print”—>“DC Operating Point”，然后进入电路原理图。
图14
在如下所示电路图中，点击电压源，可以在弹出的窗口中看到电流、电压、功耗三个参数。
图15
“Shift + e”，然后点击运算放大器的symbol，点击弹出窗口的OK，进入运算放大器电流原理图。点击晶体管，可以在弹出的窗口中看到晶体管的各个直流工作点参数，如下所示。
四、实验要求：
1、在给定的仿真测试电路中仿真测量功耗（电流大小）、增益、增益带宽积、相位裕量、噪声等运算放大器的五个参数。
2、设计一个两级运算放大器（运算放大器的结构可自由选择），具体指标如下：
设计负载电容为10pF的条件下
功耗小于30μA
增益大于100dB
增益带宽积大于3MHz
相位裕量不小于60°
“by absolute threshold”：将贡献噪声超过某个绝对数值的器件列出。
“Sort by”：设置根据贡献噪声的大小或是器件名称的字母顺序等报告显示的
对红框内内容做如下设置，得到各个器件的噪声贡献（列表中没有显示器件的具体值，但按照噪声贡献大小依次列出器件）：
图12
图13
查看直流工作点（功耗）
1kHz处噪声密度小于200nV/
五、作业
1、整理实验结果，完成实验报告。
附录
图2增益、增益带宽积、相位裕量测试仿真电路
图3噪声仿真电路
仿真类型设置：
图4交流仿真设置图5直流仿真设置
图6噪声仿真设置
查看幅频特性、相频特性
图7
点击菜单栏“results”—>“direct plot”—>“AC gain&phase”，然后在电路原理图中依次点击“out”，“in”，然后可以看到频率特性仿真结果，如下所示。