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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計cmos運(yùn)算放大器的分析及設(shè)計(參考版)

2024-12-04 13:21本頁面
  

【正文】 由于放大器件本身具有極間電容,以及放大電路中有時存在電抗性元件,所以,當(dāng)輸入不同頻率信號時,電路的放大倍數(shù)將成為頻率的函數(shù),這個特性就是頻率特性 。為實(shí)現(xiàn)信號不失真放大所以 需 要研究放大器的頻率響應(yīng)。實(shí)質(zhì)上,頻率響應(yīng)就是指放大器的增益與頻率的關(guān)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(fù)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 。 仿真頻率 選擇 如圖 選項(xiàng)卡 所示 的 1HZ100K。 因此為了減小失落電壓,必須充分考慮電路本身的性能。假設(shè)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 。 也就是說 隨著 輸入信號 幅值的增大,信號開始失真,當(dāng)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(yùn)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(yùn)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 。 圖 大信號限幅 分析信號源 大 信號 限幅 仿真 時 設(shè)定 信號源的 VOFF( 電壓偏置 )為 1, VAMPL( 幅值 ) 為 100v,F(xiàn)REQ( 頻率 ) 為 330KHZ。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 30 Time0s 1us 2us 3us 4us 5us 6us 7us 8us 9us 10usV(OUT2) 圖 兩級 CMOS 運(yùn)放小信號放大仿真 結(jié)果 圖 所示的仿真結(jié)果 表明 輸入正弦小信號 (1V)的情況下,設(shè)計電路的輸出 信號 為一正弦曲線,曲線的波峰值為 , 波谷值為 , 滿足小信號放大的需求,驗(yàn)證了 設(shè)計的合理性。 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(shè)定 為 1, VAMPL( 幅值 ) 為 設(shè)定1v, FREQ( 頻率 ) 設(shè)定 為 330KHZ。因此,信號源中的其他參數(shù)不改變,只改變它的幅值 ( VAMPL) 。 在 圖 中設(shè)定瞬態(tài)分析仿真時間為 10us。瞬態(tài)分析的結(jié)果將自動存入以 .out 為擴(kuò)展名的數(shù)據(jù)文件中,可以用 probe 模塊分析顯示結(jié)果信號波形。 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(yīng)。 同時 還 可以看出輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸 出 阻抗,這 完全 符合 CMOS 運(yùn)放的特點(diǎn)。 電路參數(shù) 需要進(jìn)一步的改進(jìn)??梢钥闯?M8 管沒有參與電路工作, 也就是說 M8 對電路的輸出不會產(chǎn)生影響。 (5)、電路總功耗 TOTAL POWER DISSIPATION WATTS 分析結(jié)果表 明 電路總 功耗為 ,遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的 100mW,所以說功耗達(dá)到要求。 (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(shè)計各管尺寸 orCAD 軟件 默認(rèn)的 MOS 管的寬長 L W 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(jié)果說明:該結(jié)果表明了在 27 時各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓,由節(jié)點(diǎn)電壓值可以看出 MOS管處于工作狀態(tài)。 直流工作點(diǎn)分析 輸出文件( .out 文件)中給出了設(shè)計電路的各器件參數(shù)、 orCAD 中 MOS 管的模型參數(shù)、小信號偏置分析、電壓源電流、電路總功耗、直流偏置點(diǎn)信息、小信號直流傳輸特性、直流靈敏度分析的所有結(jié)果。 電路圖生成 ( OrCAD/Capture) 電路特性分析要求設(shè)置 ( Profile) 電路模擬 ( PSpiceA/D) 模擬結(jié)果分析 ( PSpice/Probe) 優(yōu)化設(shè)計 ( PSpice/ Optimizer) 設(shè)計滿足要求 設(shè)計輸出結(jié)果 是 否 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 24 M2M bre ak N60u6u19 6. 1u A19 6. 1u A3. 00 0VM5M bre ak P18u6u0A51 4. 7u A51 4. 7u A10 . 00 V3. 96 1VM7M bre ak N9u6u39 2. 2u A0A39 2. 2u AV2F R EQ = 33 0kVA M PL = 1VO F F = 10W0A6u2uM90A51 4. 7u A51 4. 7u A5. 85 8VVV310Vdc14 . 22 m W1. 42 2m AC15pM6M bre ak N9u6u51 4. 7u A51 4. 7u A4. 40 0VM3M bre ak P9u6u0A19 6. 1u A19 6. 1u AM1M bre ak N6u60u19 6. 1u A0A19 6. 1u AOU T 10V4. 50 0VM8M bre ak N9u6u51 4. 7u A0A51 4. 7u A6. 38 4V0ou t 2M4M bre ak P9u6u0A19 6. 1u A19 6. 1u AV14. 5V dc0W0A8. 35 5V 圖 直流工作點(diǎn)分析 圖 中用圖示的方法 直觀的給出了 設(shè)計電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析后的電壓值、電流值及功耗值。直流 工作點(diǎn)分析 的結(jié)果中包括各個節(jié)點(diǎn)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(dǎo)體的線性化參數(shù) 。 ( 8) 、設(shè)計結(jié)果輸出 經(jīng)過上述步驟,得到符合要求的電路設(shè)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(shè)計圖數(shù)據(jù)傳送給 OrCAD/Layout,繼續(xù)進(jìn)行印制電路板設(shè)計。 ( 7) 、設(shè)計修正 在電路模擬設(shè)計過程中如果電路設(shè)計方案不合適、電路圖生成中出現(xiàn)差錯或分析參數(shù)設(shè)置不當(dāng),都會導(dǎo)致 PSpiceA/D因檢測出致命錯誤而不能正常運(yùn)行或出 現(xiàn)運(yùn)行不收斂和運(yùn)行結(jié)果不滿足設(shè)計要求的情況。分析者兩個文件的內(nèi)容,可以確定電路設(shè)計是否滿足預(yù)定要求。 ( 4) 、運(yùn)行 PSpiceA/D程序 完成上述三步之后,即可調(diào)用 PSpice程序?qū)﹄娐穲D進(jìn)行模擬分析。 ( 2) 、電路圖生成 項(xiàng)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(shè)計方案以電路原理圖形式送入計算機(jī)。 ( 1) 、新建設(shè)計項(xiàng)目 ( Project) OrCAD軟件包設(shè)計任務(wù)按項(xiàng)目( Project)實(shí)施管理。在 PCB 設(shè)計后,可生成 3維顯示模型,也可直接生成 Gerber 光繪文件。 ( 3) 、 OrCAD/Layout Plus。 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(jìn)行模擬外,還具有優(yōu)化設(shè)計的功能。該軟件還具有 ICA 功能,可在設(shè)計電路圖的過程中從 Inter 的元器件數(shù)據(jù)庫中查閱、調(diào)用上百萬種元器件。 OrCAD 軟件中主要軟件的功能 如下 : ( 1) 、 OrCAD/Capture CIS。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 21 OrCAD 結(jié)構(gòu) OrCAD 軟件系統(tǒng)中的每一部分可以根據(jù)需要單獨(dú)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(gòu)成一個完整的 EDA 系統(tǒng),對設(shè)計項(xiàng)目實(shí)施統(tǒng)一管理。這就是說,由人和計算機(jī)通過 CAD這一工作模式共同完成電子線路的設(shè)計任務(wù)。 仿真環(huán)境 OrCAD CAD[5], 即 計算機(jī)輔助設(shè)計 , 顧名思義,就是在電子線路設(shè)計過程中,借助于計算機(jī)來迅速準(zhǔn)確地完成設(shè)計任務(wù)。最終計算出 的 MOS 管的寬長 之值 符合設(shè)計要求。 根據(jù)設(shè)計要求計算出 了 每個MOS 管的 寬長比等器件參數(shù) 。兩級 CMOS 運(yùn) 算放大器用兩級結(jié)構(gòu)把增益和擺幅分開處理, 運(yùn)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(shí)現(xiàn)大輸出擺幅,以補(bǔ)償?shù)谝患墵奚臄[幅 ,并進(jìn)一步提升增益,從而克服了單級運(yùn) 算放大器 增益與擺幅之間的矛盾,同時 實(shí)現(xiàn) 高增益和大擺幅。因此這些電路的增益被限制在輸入對管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。 各 MOS管 寬長參數(shù) 如表 表 兩級運(yùn)算放大器 各管 參數(shù) CMOS 運(yùn)放的最大和最小差分輸入電壓的計算: 工作在飽和區(qū)的 MOS 管遵循平方率關(guān)系即 式 () 則輸入電壓差可寫為 式 () 可以看出當(dāng) 為到最大值, 為最小值時, 可達(dá)到最大值,而 的最大值為 ,的最小值為 0時, 參數(shù) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 W/ 60 60 9 9 18 9 9 9 2 L/ 6 6 6 6 6 6 6 6 6 IDQ/ 40 40 40 40 80 80 80 80 80 UDD/V 10 總功耗 /mW 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 19 式 () 同理,當(dāng) 為最小值 0, 為最大值時 , 可達(dá)到最小值, 即 式 () 所以 式 () 根據(jù)相關(guān)參數(shù),可以得到 分析可知 ,差分輸入端的電壓在 ~ 范圍內(nèi)變化時, MOS 管 M1 或 M2 不會截止,電路才能正常工作, 這時 才得到較為理想的仿真結(jié)果。 根據(jù)以上設(shè)計,總電流 I為 : 故總功率損耗 滿足設(shè)計指標(biāo)的要求 。 根據(jù)電流方程 式 () 求出 得 那么 根據(jù)電流方程,求出 式 () 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 18 所以 取 。 根據(jù)電流方程: 40 式 () 可得 式 () 取 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 17 設(shè)計恒流源電路。 從電壓角度出發(fā),為保證所有管子在信號范圍內(nèi)均工作在恒流源區(qū)或臨界恒流區(qū),而不是進(jìn)入深線性區(qū),根據(jù)總電源電壓 UDD=9V,我們可以大致分配 V V V7(或 V VV7)的靜態(tài) UDSQ≈3V 。根據(jù) (式 )算出 取 =3 V5是 PMOS管, V6為 NMOS管。 根據(jù)總增益要求,計算二級 MOS管的寬長比。 式 () 所以 式 () 單位增益 式 () 代入 Cm=( )Cc得 式 式 () 式中, gm1為差分對管跨導(dǎo) 式 () 參數(shù)要求 =2π 圖 高頻小信號等效電路 用密勒等效原理作單向化近似如圖 ,其中密勒等效電容 Cm為Cm≈(gm5Ro2)Cc, 顯然 Cm引入的是整個電路的主極點(diǎn),也就決定了整個電路的單位增益帶寬。 由圖 ,加了密勒補(bǔ)償 Cc后,由于密勒等效電容對帶寬的影響遠(yuǎn)大于 MOS管極間電容的影響,所以, MOS管極間電容的
點(diǎn)擊復(fù)制文檔內(nèi)容
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