运算放大器的设计与仿真-安超群剖析
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。
功率放大器调试与仿真.doc
功率放大电路调试及仿真耿忠宇( 河北北方学院理学院物理系 06级本科 20061040232)摘要：功率放大器简称功放。
是一种能量转换的电路，其主要任务是输出大的信号功率，其输入、输出电压和电流都较大，消耗能量多，信号容易失真，输出信号的功率大。
本文通过对功率放大器进行调试并用仿真软件仿真其实际效果，根据实验和仿真数据仔细分析电路，了解功放几种特殊状态下，电路集电极电流，输出功率，效率的具体数值。
从而从根本上理解功率放大器的基本原理。
为以后研究功率放大器打下基础。
关键词：功率放大器；仿真；失真；最大不失真功率Power amplifier circuit testing and simulationGengzhongyu(Hebei NorthUniversity College Department Of Physics, 06 1 Classes 20061040232)Abstract: Power amplifier (PA) is an energy conversion circuit. Its main task is to output large-signal power. Because of its larger input and output voltage, current and energy depletion, it is easy to have distortion of signal and large power output signal.In this article, based on the debugging of power amplifier simulation software and simulation with the actual results, more experimental, simulation data and analysis of the circuit, we know the specific values about some special state amplifier, the circuit collector current, output power under several special condition of PA. So the author has made a fundamental understanding the basic principles of power amplifier. And it is also lay the foundation to study PA in the future.Key words：Power Amplifier；Emulation；Distortion；Maximum power without distortion目录引言 (1)1. 功率放大器概述 (2)1.1功率放大器的基本要求 (2)1.2功率放大器的分类 (3)1.3放大电路的主要特点 (4)2. 功率放大器的理论分析 (5)3. 功率放大器的调试及仿真 (8)3.1功率放大器的调试 (8)3.2功率放大器的仿真 (10)总结 (15)参考文献 (16)致谢 (17)引言功率放大器简称功放。
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1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 仿真结果图其中1//2R RF R =2.2电路如图3所示3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 +-= 图4 仿真结果图其中RF R R R //3//12= 2.3电路如图5所示5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2.4 电路如图7所示7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。
21O O O U U U +=，111i O U R RF U -=，223i O U R RFU =图8 仿真结果图2.5 电路如图9所示9此电路为积分运算电路，利用积分运算电路可以实现方波—三角波的波形变换和正弦—余弦的移相功能。
运算放大电路实验报告
实验报告课程名称：电子电路设计与仿真实验名称：集成运算放大器的运用班级：计算机18-4班姓名：祁金文学号：5011214406实验目的1.通过实验，进一步理解集成运算放大器线性应用电路的特点。
2.掌握集成运算放大器基本线性应用电路的设计方法。
3.了解限幅放大器的转移特性以及转移特性曲线的绘制方法。
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。
反相比例放大电路输入输出关系: 输入电阻: Ri=R1反相比例运算电路反相加法运算电路反相比例放大电路仿真电路图压输入输出波形图同相比例放大电路输入输出关系: 输入电阻: Ri=∞输出电阻: Ro=0同相比例放大电路仿真电路图电压输入输出波形图差动放大电路电路图差动放大电路仿真电路图五：实验步骤： io V R R V 12-=i R o V R R V R R V 1212)1(-+=io V R R V )1(12+=R o V R R V R R V 12i 12)1(-+=1.反相比例运算电路（1）设计一个反相放大器，Au=-5V，Rf=10KΩ，供电电压为±12V。
（2）输入f=1kHz、ui=100mV的正弦交流信号，测量相应的uo，并用示波器观察uo和ui 的波形和相位关系，记录输入输出波形。
测量放大器实际放大倍数。
（3）保持ui=30mV不变，测量放大的上截止频率，并在上截止频率，并在上截止频率点时在同一坐标系中记录输入输出信号的波形。
单级放大电路的设计与仿真设计
单级放大电路的设计与仿真一、实验目的1）掌握放大电路静态工作点的调整与测试方法。
2）掌握放大电路的动态参数的测试方法。
3）观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。
二、实验器材1mV 5KHz 正弦电压源，15mV 5KHz 正弦电压源，12V直流电压源，2N2222A三极管，10uF电容（3个），10KΩ电阻（2个），3.0KΩ电阻，1.5KΩ电阻，5.1KΩ电阻，250KΩ电位器，万用表，示波器等。
三、实验原理与要求三极管工作在放大区时具有电流放大作用，只有给放大电路中的三极管提供合适的静态工作点才能保证三极管工作在放大区。
如果静态工作点不合适，输出波形则会产生非线性失真——饱和失真和截止失真，而不能正常放大。
静态工作点合适时，三极管有电流放大特性，通过适当的外接电路，可实现电压放大。
表征放大电路放大特性的交流参数有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。
对于不同频率的输入交流信号，电路的电压放大倍数不同，电压放大倍数与频率的关系定义为频率特性，频率特性包括：幅频特性——即电压放大倍数的幅度与频率的关系；相频特性——即电压放大倍数的相位与频率的关系。
设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz(幅度1mV) ，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。
调节电路静态工作点(调节电位计)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。
加入信号源频率5kHz(幅度1mV) ，调节电路使输出不失真，测试此时的静态工作点值。
测电路的输入电阻、输出电阻和电压增益。
测电路的频率响应曲线和fL、fH值。
设计图如下：四、实验内容与步骤1.饱和失真为了使得到的饱和、截止失真的波形图更加明显，用15mV的交流电压源代替了原先的1mV 的电源。
调节电位器的百分比至0%，观察波形。
测试饱和失真下的静态工作点可知I B=227.374uA，I C=2.576mA, U CE=69.657mV。
《运放基本仿真步骤》课件
PART FOUR
设置仿真参数，如时间、频 率、电压等
建立仿真模型，包括输入、 输出、运算等模块
打开仿真软件，如MATL AB、 Simulink等
运行仿真程序，观察仿真结 果，如波形、数据等
分析仿真结果，验证设计是 否满足要求
调整仿真参数，重新运行仿 真程序，直至满足设计要求
观察输出电压波形：观察输出电压波形的 形状、幅度、频率等参数是否符合预期
观察输入电流波形：观察输入电流波形的 形状、幅度、频率等参数是否符合预期
观察输入电压波形：观察输入电压波形的 形状、幅度、频率等参数是否符合预期
观察电路参数：观察电路参数（如电阻、 电容、电感等）的变化是否符合预期
观察输出电流波形：观察输出电流波形的 形状、幅度、频率等参数是否符合预期
搭建仿真电路：根据实际需求，搭建运放电 路，包括输入、输出、反馈等部分
设置仿真参数：设置仿真时间、步长、精度 等参数，确保仿真结果的准确性
运行仿真：运行仿真，观察输出波形，分析 运放性能
调整参数：根据仿真结果，调整电路参数， 优化运放性能
保存结果：保存仿真结果，以便后续分析或 与其他人分享
PART TWO
仿真模型搭建：搭建符合实际需求的仿真 模型
参数设置：设置合理的参数值和范围
仿真结果分析：分析仿真结果，找出影响 性能的关键参数
参数调整：根据分析结果，调整关键参数值
重复仿真：重复进行仿真，直至达到满意 的性能指标
调整参数：根据仿 真结果调整参数， 如增益、带宽等
优化模型：选择合 适的模型，如 SPICE、Hspice等
,
汇报人：
CONTENTS
宽带放大电路的设计仿真
宽带放大电路的设计仿真【摘要】集成运算放大器的分类、性能指标、应用、所用芯片、静态工作点的测试【关键词】分类、指标、芯片、静态工作点一．集成运算放大器的分类I. 按照集成运算放大器的参数分类1）、通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。
这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。
例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356 都属于此种。
它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
2）、高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>（109~1012）W,IIB 为几皮安到几十皮安。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。
用FET 作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。
常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
3）、低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。
低温漂型运算放大器就是为此而设计的。
目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650 等。
4）、高速型运算放大器在快速A/D 和D/A 转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR 一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。
高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。
常见的运放有LM318、mA715 等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。
5）、低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。
EDA设计单级放大电路的设计与仿真
EDA设计单级放大电路的设计与仿真设计与仿真单级放大电路引言：单级放大电路是电子电路设计中非常重要的一种电路，它可以将微弱的输入信号放大成为更大的信号输出，广泛用于各种电子设备中。
本文将详细介绍单级放大电路的设计和仿真过程。
一、电路设计：1.确定电路参数：在设计单级放大电路之前，首先需要确定电路的输入电压范围和放大倍数要求。
根据需要，可以选择适当的管子进行放大。
2.选择放大管子：根据放大倍数和输入电压范围的要求，选择合适的放大管子。
一般常用的放大管子有BJT晶体管和场效应管。
根据具体需求选择合适的管子。
3.设计偏置电路：为了保证放大电路的正常工作，需要设计一个偏置电路来为放大管子提供适当的工作点。
偏置电路可以使用电阻和电容来实现。
4.确定电路拓扑结构：根据所选放大管子和偏置电路的设计结果，确定电路的拓扑结构。
常见的放大电路结构有共射、共集和共栅等。
5.设计互联电路：根据电路拓扑结构，设计输入电容、输出电容和耦合电容等互联电路，以实现信号的输入和输出。
二、电路仿真：1.电路搭建：使用电路设计软件，如LTspice等，将设计好的电路按照电路图搭建出来。
其中包括放大管子、偏置电路、互联电路等。
2.参数设置：在仿真软件中设置放大管子的参数，如晶体管的模型、放大倍数等。
同时设置输入信号的频率、幅值和相位等。
3.运行仿真：在仿真软件中运行仿真，观察输出信号的波形和幅度，检测是否达到了设计要求。
如果输出信号不符合要求，可以调整电路参数或修改电路拓扑结构，重新进行仿真。
4.优化调整：根据仿真结果，对电路进行进一步调整和优化。
如改变偏置电流、增加反馈电路等，以提高放大电路的性能。
三、结果分析：根据仿真结果进行结果分析。
分析输入输出信号的频率响应、功率增益和失真程度等指标，评估电路的性能是否达到设计要求。
结论：通过设计和仿真单级放大电路，可以实现对微弱信号的放大，并得到满足设计要求的输出信号。
在设计过程中，需要根据实际需求选择合适的放大管子和电路拓扑结构，并进行仿真和优化调整，以达到最佳的性能。
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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：
gm1=156u Rout1=1/(474.1n+640.2n) gm2=9.979m Rout2=1/(8.06u+9.25u) AV=gm1Rout1gm2Rout2=98.138dB P1=1/2*pi*gm2Rout2CCRout1 CC不只是4p，应包括M6的CGD=4.136p P1=37.81
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？
闭合速度稳定性检查法
如何估计零
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。
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.
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）
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
9、电源电压抑制比
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。
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”
ΔV增加到使M1吸收全部的尾 电流，使M2关断，负载电容
运算放大器的设计与仿真
安超群 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
T定义为环路增 益
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
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。
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。
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
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？
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=μcoxW/L gds=λID
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， 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
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
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。
谢 谢！
• 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。
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。
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
环路稳定性测试
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。
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能满足每 个管子都在饱和区。
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。
8、共模抑制比
做AC分析，仿真电路如下所示：
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。
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
在主极点频率时
主极点频率处即为3dB带宽
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
假设运放只有一个极点，那么该运放的传递函数为
当增益降至0dB时，s=AVW0 即运放的增益带宽积为
则闭环系统的传递函数为
由该运放构成的负反馈闭环系统的增益带宽积为
结论：开环的增益带宽积与闭环的增益带宽积一致。
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。
βAVw0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
H(S)称为开环传输函数
Y(S)/X(S)称为闭环传输函数
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。 β=1/10 100/Aβ<1% A>1000
带
3dB带宽
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。