【正文】 式 () 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 18 所以 取 。兩級 CMOS 運 算放大器用兩級結構把增益和擺幅分開處理， 運用第一級放大器得到高增益，可以犧牲擺幅，第二級放大器主要實現(xiàn)大輸出擺幅，以補償?shù)谝患墵奚臄[幅 ，并進一步提升增益，從而克服了單級運 算放大器 增益與擺幅之間的矛盾，同時 實現(xiàn) 高增益和大擺幅。這就是說，由人和計算機通過 CAD這一工作模式共同完成電子線路的設計任務。 這是一個通用電路模擬軟件，除可對模擬電路、數(shù)字電路和數(shù) /?；旌想娐愤M行模擬外，還具有優(yōu)化設計的功能。 （ 2） 、電路圖生成 項目名確定后，在電路圖繪制軟件 OrCAD/Capture環(huán)境下，將也確定的電路設計方案以電路原理圖形式送入計算機。 （ 8） 、設計結果輸出 經(jīng)過上述步驟，得到符合要求的電路設計后，就可以調(diào)用 OrCAD/Capture輸出全套電路圖紙，包括各種統(tǒng)計報表；也可根據(jù)需要將電路設計圖數(shù)據(jù)傳送給 OrCAD/Layout，繼續(xù)進行印制電路板設計。 (2)、 orCAD 中 MOS 管 的模型參數(shù) MOSFET MODEL PARAMETERS MbreakN MbreakP NMOS PMOS LEVEL 1 1 基于 LEVEL 1 模型設計各管尺寸 orCAD 軟件 默認的 MOS 管的寬長 L W 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 26 (3)、小信號偏置情況分析 SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = DEG C NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE (OUT1) (OUT2) (N00372) (N00464) (N16763) (N32125) (N38620) 結果說明：該結果表明了在 27 時各節(jié)點的節(jié)點電壓，由節(jié)點電壓值可以看出 MOS管處于工作狀態(tài)。 同時 還 可以看出輸入阻抗遠遠大于輸 出 阻抗，這 完全 符合 CMOS 運放的特點。因此，信號源中的其他參數(shù)不改變，只改變它的幅值 （ VAMPL） 。 也就是說 隨著 輸入信號 幅值的增大，信號開始失真，當幅值為 100v 時，出現(xiàn)明顯的失真 大信號 波形失真的 原因 分析 輸出信號的幅值 Vo 等于輸入信號的幅值 Vi 與由運算放大器搭成的放大電路的電壓增益 a 的乘積， 即 Vo=Vi*A， 但是 Vo 要受到放大電路的最大輸出幅度限制，放大電路的最大輸出幅度由電源電壓和運算放大器的最小失 落電壓差 （入端電壓為零時，輸出端的電壓不為零）決定 ，而失落電壓是 由電路的線性電抗元件（電阻、電容、電感等）引起的 。實質(zhì)上，頻率響應就是指放大器的增益與頻率的關系 ， 由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負載電容、耦合電容、射極旁路電容等） ，使得電路的增益受到一定的影響 。為實現(xiàn)信號不失真放大所以 需 要研究放大器的頻率響應。假設某放大電路電壓增益是 100，如果某一時刻輸入信號 Vi高電平的幅度超出了 ，為 。 小信號放大 分析 信號源 小信號放大 仿真 時 信號源的 VOFF（ 電壓偏置 ） 設定 為 1， VAMPL（ 幅值 ） 為 設定1v， FREQ（ 頻率 ） 設定 為 330KHZ。 瞬態(tài)特性分析 瞬態(tài)特性分析的目的是在給定輸入激勵信號的作用下，計算電路輸出端的瞬態(tài)響應。 (5)、電路總功耗 TOTAL POWER DISSIPATION WATTS 分析結果表 明 電路總 功耗為 ，遠小于設計要求的 100mW，所以說功耗達到要求。直流 工作點分析 的結果中包括各個節(jié)點電壓，流過各個電壓源的電流，總功耗及所有非線性受控源和半導體的線性化參數(shù) 。 （ 4） 、運行 PSpiceA/D程序 完成上述三步之后，即可調(diào)用 PSpice程序對電路圖進行模擬分析。 （ 3） 、 OrCAD/Layout Plus。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 21 OrCAD 結構 OrCAD 軟件系統(tǒng)中的每一部分可以根據(jù)需要單獨使用，相互之間 的內(nèi)在聯(lián)系如圖圖 31所示的內(nèi)在聯(lián)系，共同構成一個完整的 EDA 系統(tǒng)，對設計項目實施統(tǒng)一管理。 根據(jù)設計要求計算出 了 每個MOS 管的 寬長比等器件參數(shù) 。 根據(jù)以上設計，總電流 I為 ： 故總功率損耗 滿足設計指標的要求 。根據(jù) (式 )算出 取 =3 V5是 PMOS管， V6為 NMOS管。 由圖 ，加了密勒補償 Cc后，由于密勒等效電容對帶寬的影響遠大于 MOS管極間電容的影響，所以， MOS管極間電容的影響可以忽略不計，那么該電路的高頻小信號等效電路如圖 。 兩級 CMOS 運 放的 器件結構 參數(shù) 設計 針對圖 所設計的電路， 根據(jù) 電路的性能指標要求 以及相關工藝參數(shù)計算出滿足要求的各 MOS 管 結構 參數(shù) ，最后根據(jù)電路的設計要求對某些參數(shù)進行修正。 M M7 與偏置電路組成電流源電路，提供查分 放大器的工作電流及作為M5 共源放大器的有源負載。 與恒流源密切相關 。有源負 載 M2 與偏置電路構成電流源電路時， M2 通常作為有源負載。 此 電路為單端輸出，輸出電流 = 。本 章主要介紹 了一個 兩級 CMOS 運算放大器的設計。因此這些電路的增益被限制在輸入對管的跨導與輸出阻抗的乘積。 在 CMOS電路中， P溝道 MOS管作為負載器件， N溝道 MOS管作為驅動器件 ，這就要求在同一個襯底上制造 PMOS管和 NMOS管，所以必須把一種 MOS管做在襯底上，而另一種 MOS管在做比襯底濃度高的阱中。例如 D41 集成運放的電源電壓可達177。常用的運算放大器有 TL022C、 TL060C等 ， 其工作電壓為 177。 常見的集成器件有 LF35 LF347（四 運放）及更高輸 入阻抗的 CA31 CA3140等 。 （二）類型 按照 集成運算放大器 的參數(shù)來分 ， 集成運算放大器可分為如下幾類。為了區(qū)別起見， a 端和 b 端分別用 “”和 “+”號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。 運算放大器發(fā)展歷史 第一個使用真空管設計的放大器大約在 1930年前后完成，運算放大器最早被設計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現(xiàn)模擬計算機的基本建構方塊。 參考文獻 .................................................................................................................................. 42 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 1 1. 緒論 運算放大器 運算放大器概述 運算放大器 [1]（常簡稱為 運放 ）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。 因此，有必要對用 CMOS運算放大器進行深入的學習和研究。 論文 在 確定 了兩級 CMOS運 放設計規(guī)范要求的基礎上 ，設計 了 兩級 CMOS運 算放大器的基本電路結構， 分析了各組成模塊的電路功能， ，通過分析性能參數(shù)與 MOS管 幾 何參數(shù)的關系， 得到了電路中 各MOS管 的 寬長比。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導 體芯片當中。早期的運算放大器是使用真空管設計，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 3 運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。例 μA741（ 單運放）、LM358（雙運放）、 LM324（四運放 ）及以 場效應管 為 輸入級的 LF356 都 屬于此種。目前常用的高精度 、低溫 漂運算放大器有 OP0 OP2 AD508 及由 MOSFET 組成 的斬波穩(wěn)零型低漂移器件 ICL7650 等。 目前有的產(chǎn)品功耗已達 μW 級 ， 例如 ICL7600 的供電電源為， 功耗為 10mW，可采用單節(jié)電池供電。為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運算放大器得放大倍數(shù)。 N阱工藝與它相反，是向高阻的 P型硅襯底中擴散（或注入）磷，形成一個作 PMOS管的阱，由于 NMOS管在蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 5 做高阻的 P型硅襯底上，因而降低了 NMOS管的結電容及襯底偏置效 應；這種工藝最大的優(yōu)點是同 NMOS器件具有良好的兼容性。 由于 CMOS集成電路具有低的靜態(tài)功耗、 寬的電源電壓范圍、寬的輸出電壓幅度，且具有高速度、高精度的潛力等特點，因此可將其運用到運算放大器的設計當中。具有很強的干擾能力，并且有漂移小 、 級與級之間很容易直接耦合的特點。 式 () 式中， βN1為 NMOS管 V1的導電因子，且 式 () 式 () 式 () （ 1）若 rds4∥ rds2RL, 則 式 () （ 2）若 rds4∥ rds2RL, 則 式 () 由 式 ()可見，溝道調(diào)制效應如果顯著的話，則直接影響到 Aud使其減小，所以我們必須減弱 溝道 效應，增強管子的輸出電阻。 M M2 工作在飽和區(qū)時的電壓增益 等于 M1 管 的跨導和 M M2 管輸出阻抗并聯(lián)的乘積。最終 提 供給差分放大器 ，以便其正常工作 。由于 NMOS 管的性能優(yōu)于 PMOS管（主要由于 PMOS中的空穴遷移率是 NMOS中電子遷移率的 (1/2~1/4），所以放大管都用 NMOS 管，負載管可用增強型 NMOS 管、耗盡型 NMOS 管和 PMOS管， 設計中的放大管采用 NMOS 管 ，負載管采用 用增強型 PMOS 管 。 轉換速率 SR（ Slew Rate） [9]是大信號輸入時，電流輸出的最大驅動能力。 g m1 U 1 R o1 U 1 g m5 U 1C cR o2 U o蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 15 圖 單向化模型 設 Cm引入主極點，則根據(jù)圖 Uo(jω)為 式 () 該式忽略了輸出回路時常數(shù)的影響。那么， V3的過驅動 電壓（ UDS3UTH3） ≈3 1=2V。 小結 運算放大器大多數(shù)呈現(xiàn)出一級特性，使輸入對管產(chǎn)生的小信號電流直接流過輸出阻抗。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 20 3. 兩級 CMOS 運算放大 器的電路仿真 為了驗證設計電路的可靠性， 在 OrCAD仿真環(huán)境中 ， 通過 PSpice軟件 對設計的兩級CMOS運算放大器電路進行 仿真， 從而 確定設計的可行性 和可靠性 。 這是一個功能強大的電路原理圖設計軟件，除可生成各類模擬電路、數(shù)字電路和數(shù) /模混合電路的電路原理圖外，還配備有元器件信息系統(tǒng)CIS， 可以對元器件的采 用實施高效管理。 圖 orCAD 軟件系統(tǒng)構成 OrCAD/Capture CIS (電路圖設計 ) OrCAD/PSpice A/D (數(shù) /模混合模擬 ) Optimizer (電路優(yōu)化設計 ) OrCAD/Layout Plus (PCB 設計 ) 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 22 電路模擬的基本過程 采用 OrCAD/PSpice軟件對電路設計方案進行電路模擬的基本過程共分為 8個階段， 如圖 。 （ 6） 、電路優(yōu)化設計 對于模擬電路，可以在電路模擬的基礎上調(diào)用 PSpice中的優(yōu)化模塊，進一步對于電路進行優(yōu)化設計，提高設計質(zhì)量。這些值與下面（ .out 文件）中的直流工作點分析 結果是一致的。 而除 M9 管外的其 他 MOS管的 影響較小 ，沒有達到設計過程中的設定值。 瞬態(tài)分析 仿真時間 設定。 （ 2） 、 大信號限幅 分析 圖 顯示的是 對 設計電路 進行 大信號限幅 仿真分析時采用 的 大 信號源，同樣是差動放大器的一個輸入端。 頻率特性分析 在對設計 電路 進行 交流小信號頻率響應特性 仿真分析時， 首先計算電路的直流工作點，并在工作點處對 電路中各個非線性元件作線性化處理得到線性化的交流小信號等效電路，然后使電路中交流信號源的頻率在一定范圍內(nèi)變化并用交流小信號 等效電路計算電路輸出交流小信號的變化。 所設計電路的 頻率特性 仿真結果如圖 示： Frequency 10Hz