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关键词: Cadence;仿真;CMOS;放大器
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2012)0310020-03
0 引言
在电路设计领域中,模拟电路设计(Design of Analog Circuit)是不可或缺的部分,而模拟CMOS集成电路设计(Design of Analog CMOS Integrated Circuit)已成为其核心。
当模拟电路设计完成后必须进行仿真验证,模拟、混合信号IC的仿真验证是IC设计成败的关键。Cadence软件提供非常完整的模拟、混合信号仿真验证的解决方案,因此现在工业界多使用Cadence软件,那么学会使用Cadence将是非常有必要的。
刚开始学习CMOS模拟电路设计的大学生一定会遇到不小的难题,但是若在学习的同时使用Cadence来进行仿真验证,这将对知识的领悟是大有裨益的。因此,本文旨在通过对三种简单CMOS放大器的设计与仿真来介绍一些便于理解的仿真思想,希望能帮助初学者学习和分析。
1 共源共栅放大器的设计与仿真
将欲搭建的器件、电阻、电源和地线按照图4构造电路,下文中出现的符号(如M4)可通过图4查看。电源设置5V,nmos选择“mn”,pmos选择“mp”,为了近似可以忽略沟道调制效应,采用沟道长度L=4 。
1.1 设定直流工作点以及各个参数
1.1.1 确定M4的直流电压、电流和W(沟道宽度)
首先引出一个惯例:一般取 ,并且习惯设定管子的过驱动电压 。那么M4的
,Vb3=5V-1.2V=3.8V。现在开始确定M4的W,假设根据功耗要求
,先给W设定a*1 ,然后DC单独扫描出a即可,单独扫描的电路如图1所示。DC扫描操作步骤:首先用Outputs中的To be saved将要检测结点的电流保存,单击该结点即可;再DC扫描一次;最后点击ToolsCalculatordc,点击第一步中To be saved保存的结点,选中 即可观测a与 的关系。
备注:因为共源共栅有屏蔽特性,则交流作用时 几乎维持 不
变,为了获得最大摆幅而将M4设定在临界饱和附近,但为了保险,给它留了0.1V的余度,因此图1中电压源设定为4.7V-0.1V=4.6V。
切记不能直接在电路图中DC扫描,这样M4的 受到下面还未确定参数的MOS管影响。所以一定要在旁边单独画出电路来设定M4的W,其它MOS管也要这样操作。我要指出一点:我们在设置各MOS管的W时,应谨记M1和M4由于屏蔽特性要随时工作在饱和区边沿才能有最大摆幅,而M2和M3在直流时的 和 应均分。
1.1.2 确定M1,M2,M3的直流电压和W(沟道宽度)
现在来确定M1的参数,由于 ,则
还是对M1的W进行扫描,保证,电路如图2所示。
图3中, ,电压源V10=2.5V,扫描W使
现在来确定M2的参数,由于,则Vb1=1.0V+
瞬时(tran)仿真结果如图4所示:
1.2 Ac扫描
增益幅度(分贝)扫描结果如图5:
增益相位(度)扫描结果如图6:
2 套筒式差动放大器的设计与仿真
将欲搭建的器件、电阻、电源和地线按照图11构造电路,下文中出现的符号(如M0)可通过图11查看。电源设置5V,nmos选择“mn”,pmos选择“mp”,为了近似可以忽略沟道调制效应,采用沟道长度L=4 。
2.1 设定直流工作点以及各个参数
2.1.1 确定M0的直流电压、电流和W(沟道宽度)
根据惯例,取由于一般正常工作时希望有较大的输出摆幅,设定但是DC扫描W时应给M0留出一点余度,所以取 来扫描(即图7中)。
2.1.2 确定M1、M2的直流电压和W(沟道宽度)
M1的
注意:当直流工作时M1和M2的端电压完全相同(可以看作并联),所以干脆把右图中M1的并联数设定为真实套筒式差动放大器电路中M1并联数的两倍(这时的M1代替M1和M2的共同作用,则是在 的条件下扫描出W的,这时的W放在真实套筒式差动放大器电路中,流过M1的直流电
M2和M1的参数完全一样。
2.1.3 确定M7和M8的直流电压和W(沟道宽度)
备注:因为共源共栅有屏蔽特性,则交流作用时 几乎维持
不变,而为了获得最大摆幅应将M7设定在临界饱和附近,但为了保险,给它留了0.1V的余度,因此图9电压源设定为4.7V-0.1V=4.6V。
切记不能直接在电路图中DC扫描,这样M7的 受到下面还未确定参数的MOS管影响。所以一定要在旁边单独画出电路来设定M7的W,其它MOS管也要这样操作。
M8和M7的参数完全一样。
2.1.4 确定M5和M6的直流电压和W(沟道宽度)
M6和M5的参数完全一样。
2.1.5 确定M3和M4的直流电压和W(沟道宽度)
瞬时(tran)仿真结果如图11所示:
2.2 Ac扫描
增益幅度(分贝)扫描结果如图12:
增益相位(度)扫描结果如图13:
3 结论
本文采用既联系数学公式又考虑实际电路效应的仿真思想,解决了为了得到较大的电压摆幅而使某些管子在工作时进入三极管区,导致增益降低;沟道长度调制效应和体效应的影响;如何确定MOS管的沟道长度L和沟道宽度W等初学者难以考虑到的问题。本文阐述的仿真思想在诸多复杂CMOS模拟集成电路的设计与仿真验证中都可供初学者借鉴。
参考文献:
(曲阜远东职业技术学院,山东曲阜273115)
摘要:从电路的稳定性和可靠性出发,设计一款用于白光LED驱动电路中的误差放大器。结合DC/DC升压式变换器的工作原理,在无锡上华(CSMC)的标准0.5 μm两层多晶硅、三层金属CMOS工艺下,采用比较简单的两级运放电路。通过Spectre软件进行仿真验证,在2.5 V 的电源电压下,得到开环增益为54.87 dB,共模抑制比为70.98 dB,电源电压抑制比为63.15 dB。该设计与传统的设计方法相比,减小了芯片的面积,同时基本达到设计指标。
关键词 :LED驱动电路;误差放大电路;两级运放;仿真验证
中图分类号:TN72?34 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)18?0155?03
0 引言
随着手机智能化的迅速发展,白光LED 作为手机背光源,其驱动电路的设计就显得尤为重要。误差放大器是驱动LED 电路中一个重要的模块,其性能的好坏直接影响着驱动电路输出的稳定性和精度。误差放大器就是将反馈电压与基准电压的差值放大,输出误差放大值到PWM比较器的输入值。
目前,主要常用的运算放大器包括套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放,前两者运放电路复杂,电路稳定性差,输出电阻大,导致电路驱动能力和速度的下降[1]。误差放大器用于检测LED电流的反馈电压,由于输出端纹波电压的存在,误差放大器增益不需太高,一般取50~80 dB 即可。再者,本误差放大器的电源电压为2.5 V,若采用共源共栅放大器,将存在过驱动电压不足,晶体管无法工作在饱和区的问题。因此需要对其误差放大器进行重新设计验证。
1 基本性能参数
误差放大器主要的性能参数有7点:
(1)增益Av。运放的开环增益Av 直接影响反馈系统的精度,进而影响电路的输出精度。在理想情况下,运放具有无限大的差模电压增益、无限大的输入阻抗和零输出阻抗,但是在实际中,由于受各种参数的影响,开环增益大于等于60 dB 就能满足需求[2]。
(2)单位增益带宽GB。单位增益带宽GB 是运放开环增益为1时的频率。计算公式为:
一个闭环系统-3 dB 带宽等于该闭环系统的运放的单位增益带宽,必须满足以下两个条件:反馈网络中不含频率分量;单位增益带宽频率内只有1个极点[3]。
(3)相位裕值PM。相位裕度主要是衡量负反馈系统稳定性的一个重要指标。它是指运算放大器增益幅度为1时的相位,与-180°相位的差值。经研究发现,相位裕度至少要45°,最好是60°。
(4)建立时间。建立时间(Settling Time)表示从跳变开始到输出稳定的时间,主要反映运放的反应速度。增大单位增益带宽,可以缩小建立时间。由上文可知,增大单位增益带宽就等于增大了负反馈系统的-3 dB带宽,可以根据芯片建立时间的要求,设计芯片的单位增益宽度[4]。
(5)转换速率SR。转换速率定义为最大输出电压变化的速率,转速的计算公式为:
由式(2)可以看出,其性能取决于运放的尾电流Iss和负载电容C 的值。如果要求误差放大器的转换速率大,其尾电流必将变大。
(6)共模抑制比。共模抑制(CMRR)比表示误差放大器抑制共模信号放大差分信号的能力,其定义为放大电路差模信号的电压增益Avd 与共模信号的电压增益Avc 之比的绝对值,计算公式为:
由式(3)可见,差模信号的电压增益Avd 越大,共模信号的电压增益Avc 越小,则共模抑制比CMRR越大,放大电路的性能越好。在理想情况下,共模抑制比CMRR为无穷大。
(7)电源抑制比。实际使用中,电源经常有噪声存在,电源抑制比(PSRR)正是表征抵制电源噪声的能力,定义为运放输入到输出的增益与电源到输出的增益之比,其计算公式为:
式中Vdd = 0 和Vin = 0 分别指的是电源电压和输入电压的交流小信号为零。
2 误差放大器的设计
2.1 设计目标及参数
根据设计目标,可以大概确定MOS 的宽长比和补偿电容C1 的大小:
(1)要满足相位裕度60°,米勒补偿电容C1 取值应满足:C1 > 0.22CL ,CL 为负载电容值,取C1 = 2 pF ;
(2)此误差放大器由两级运放组成,第1级运放尾电流IM2 为:IM2 = SR·C1 ;第2 级运放尾电流IM5 为:IM5 = SR ? CL ;
(3) 计算M3 管和M4 管的宽长比,gM4 = GB ? C1 ,W L = g2M4 (2K4 ID1),MOS管M3和M4宽长比相等;
(4)确定M1 管和N1 管的宽长比,以确定电流偏置电路所能给两级运放提供的偏置电压;
(5)由输入共模范围最小值CCMR=-1.5 V,计算出N2管和N3管的宽长比[5];
(6)一般情况下为得到合理的相位裕度,gN4/CL>2.2 GB ,近似可以得到MOS管N4的宽长比;
(7)检查电路功耗:
2.2 设计方案
本文设计的误差放大器由两级运放组成[6]:第1 级运放由M3,M4,N2,N3 组成单端差分放大电路,其中M3,M4组成差分输入对,N2,N3组成NMOS电流镜;第2级运放由M5,N4 组成的共源放大电路。M1 和N1 构成电流偏置电路,通过M2和M5为运放提供偏置,如图1所示。
电路中米勒补偿电容C1的作用是用来改善运放的频率响应和相位裕度特性[7]。
3 仿真验证
(1)增益和相位。图2 是电源电压为2.5 V 时,误差放大器增益和相位仿真结果,从仿真结果波形可以看出,开环增益在频率小于10 kHz时为54.87 dB,在10 kHz以后,运放增益随着频率的增大而下降。单位增益带宽为8.684 MHz,相位裕度为60°,满足设计要求[8]。
(2) 共模抑制比。图3 是误差放大器在-25~100 ℃范围的共模抑制比仿真结果,从仿真结果中可以看出,温度在-25 ℃时,共模抑制比最小,但同时在低频时仍可以达到64.77 dB。在常温下,误差放大器的共模抑制比为70.98 dB,满足设计要求。
(3)电源抑制比。图4是误差放大器在-25~100 ℃范围的电源抑制比仿真结果,从图中可以看出,在此温度范围内,低频电源电压抑制比最小为62.83 dB,但电源抑制比也大于60 dB,满足设计要求。
(4)建立时间。图5 是在-25~100 ℃温度范围内对阶跃小信号的响应曲线,借助Calculator中settlinTime函数计算建立时间,将1 ns时的输出电压作为初始值,190 ns时的输出电压作为结束值,容差范围为2%,可得建立时间[9]为0.278 μs。
(5)转换速率。图6 是常温下输出电压的时域响应曲线,借助Calculator中slewRate函数计算转换速率,可得误差放大器的转换速率为0.793 V/μs。
4 结论
本文通过比较套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放的优缺点,选择结构较为简单的两级运放作为本芯片的误差放大器作为白光LED驱动电路误差放大器。本文根据设计参数要求,设计出一种误差放大电路,通过Spectre软件进行仿真,验证了设计电路的合理性,为成品的白光LED 驱动电路中误差放大器的设计提供了一种新的参考[10]。
参考文献
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[4] 王松林,洪益文,来新泉,等.一种新颖的具有带隙结构的误差放大器设计[J].电子器件,2008(3):838?842.
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关键词:压电传感器;电压放大器;电荷放大器;运算放大器
中图分类号:TN721.1 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2013)02-0027-03
0 引 言
传感器是感知各种信号的最直接工具。自产业革命以来,各式各样的机器不断地出现,代替了以前很多由人直接从事的劳动,人类社会也因此逐步进入了工业社会时代。为了改善机器的性能以及提高机器的智能化程度,需要实时地测量反映机器工作状态的信息,并利用这些信息去控制机器,使之处于最佳工作状态。为了便于测量和控制,传感器就成了必不可少的信号拾取工具,它能将各种被测控量(信息)检出并转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号(一般为电信号)。
目前,传感器种类繁多,几乎各个领域都有传感器的影子。在众多的传感器中,压电传感器以其具有工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、体积小、重量轻等特点,被广泛应用于工程力学、电声学、生物医学等领域的动态测量。
弄清压电传感器的工作机制及信号调理电路,对于更好地使用压电传感器进行各种测试具有十分重要的意义。
1 压电传感器的工作原理
2 压电传感器前置放大电路
2.1 压电传感器等效电路
2.2 压电传感器的两种前置放大电路
压电传感器的前置放大器有两个作用:一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出;二是放大压电传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出信号可以是电压,也可以是电荷。因此,前置放大器也有两种类型:一种是电压放大器,它的输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比;另一种是电荷放大器,其输出电压与传感器的输出电荷成正比。
3 结 语
压电传感器是动态测试的重要工具,由其产生的动态信号极其微弱,所以在用一般的测试仪表对其进行测试以前必须进行放大,否则传感器所检测到的信号就无法得到。通过本文的分析可知,用于压电传感器的前置放大电路有两种,即电压放大和电荷放大,这两种放大方式各有优缺点。电压放大器的优点是电路简单、容易实现,缺点是受电缆的影响大;而电荷放大器的优点是与电缆长度无关,因而可以进行远距离测量,缺点是电路复杂,设计要求高。随着电子技术的发展,电荷放大器的这些缺点可以克服,所以,电荷放大器将成为压电传感器的主要前置放大器。
参考文献
[1] 郭爱芳,王恒迪.传感器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.
[2] 何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社,2004.
【关键词】Multisim10.0 OTL音频功率放大器 性能 仿真实验
OTL音频功率放大器是功率放大器中极为重要的一种,其电路大多采用的是分立元件,与一般实验相比复杂性更高。长期以来,OTL音频功率放大器实验结构不够理想,这在很大程度上是由于电路性能参数误差及电路参数选择不当造成的。当前,Multisim10.0仿真软件在OTL音频功率放大器性能研究中得到了广泛地应用,其对于硬件电路设计有着极为重要的指导作用。
1 OTL音频功率放大器电性能理论推导分析
目前,常用的OTL音频功率放大电路为AB类OTL功率放大电路,如图1所示。该OTL功率放大电路的效率接近B类功率放大电路,最大能够达到78.6%,其性能明显优于甲类功率放大器的25%及变压器甲类功率放大器的50%,与此同时,它还能在一定程度上降低B类功率放大器的交越失真,应用范围非常广。通常情况下,对AB类OTL音频功率放大器的分析需要从B类功率放大器_始。
B类功率放大电路如图2所示,其在Multisim10.0基础上进行搭建,为了便于理论分析,选用OCL电路,其采用的是双电源供电,在本质上与单电源供电相同。图2中,当输入信号V3为正半周,T2导通,T3截止,RL能够得到一个相同幅度的正半周信号。负半周情形则与之相反,可以得出负载RT电压:,功率放大电路管T2导通时的瞬间管耗计算公式为:
,T2仅有半周导通,平均管耗计算公式为
,当时,
,输出最大功率,管耗最大值
,两路电源总功耗的计算公式为
,B类功率放大电路的效率则为
。若Vp=Vcc,此时B类功率放大器电路的效率最大,可通过
计算,约为78.6%。
上述推导并未考虑B类放大电路受功能放大管T2与T3导通电压造成的交越失真现象,因此,为了便于分析,采用双电源供电,单、双电源供电下AB类功率放大器电路的最大效率都接近78.6%。研究对AB类、B类功率放大器电路的仿真结果进行分析,结果显示AB类功率放大器能够将V4、V5电压改为0.75V,避免交越失真现象的发生,其输出功率也有所增加,电源电流变大。另外,在输出电压为达到电源电压时,功率放大器效率已达到56%。
2 仿真实验
Multisim10.0仿真软件对OTL音频功率放大器性能的实验仿真电路如图1所示,在实验中还增加了多个测试仪表,便于实现对OTL功率放大器电路的调节于测试。首先要对供电电压及T1选择进行适当的优化、调整,对R4进行调试,确保T2与T3的E级电压能够达到10V;然后根据实际情况对R6、R5进行适当调节,使两个功率放大器基极间压差能够控制在1.5V左右,仿真结果见图2,从图中可以看出该OTL音频功率放大电路不存在交越失真现象,且能够在一定的总谐波失真度情况下,达到1W的功率输出,当总谐波失真度在11%的条件下,该电路能够达到4W的功率输出,此时其效率能够达到62%。
OTL音频 功率放大器的通频带仿真结果如图3所示,当处于40Hz~1.45MHz的条件下,通频带能够通过增大电路中的电容值延伸到20Hz以下。除此之外,还需要对电路参数进行合理选择,采用虚拟仪器中的万用表、示波器等,对功率放大器的各项性能指标进行测试。
经过实际电路操作,其电路图与调试方式与仿真电路一致,得出的结果与仿真结果一致。
3 结论
此次研究通过理论推导、Multisim10.0电路仿真等方式与实际实验相结合,可以得出OTL音频功率放大电路的工作原理,结论如下:
(1)OTL音频功率放大电路的最大工作效率可达到78.6%;
(2)仿真实验得到的OTL音频功率放大电路效率接近78.6%,与实际实验结果一致。
该仿真实验方法能够有效克服传统验证性实验的不足,提升实验效率。
参考文献
[1]王翠珍,唐金元,纪明霞等.基于Multisim10.0的非线性电路分析方法仿真研究[J].国外电子测量技术,2015,14(08):66-69.
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[3]唐金元,史风隆,王翠珍.基于Multisim 10.0的高电平调幅电路仿真研究[J].国外电子测量技术,2013,32(06):86-88.
[4]宋冬萍.Multisim 7和Protel 99 SE在OTL电路设计中的联合应用[J].商丘职业技术学院学报,2010,09(05):56-58.
【关键词】中职电子;线性运放;三步分析法
集成运算放大器是一种具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路,自20世纪60年代初第一个集成运算放大器问世以来,该电路广泛应用于信号运算、信号处理、信号测量等方面。在江苏省中等职业教育电子电工类专业规划教材《电子线路》中,对集成运算放大器的特性与数学方面的应用作了阐述。
为了让学生在学习这一部分知识时,能简洁、明了地掌握线性运放的特性与应用,本人在教学过程中对一般线性运放电路的分析方法作了一点总结,归纳出分析计算一般线性集成运算放大电路分析计算的“三步分析法”, 为学生在分析线性集成运算放大电路时提供了有效的方法保证。
一、集成运算放大器的理论基础
1.集成运算放大器的概述:集成运算放大器的电路常分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分,它具有开环放大位数高、输入电阻高(约几百千欧)、输出电路低(约几百工欧)、漂移小、体积小、可靠性高等特点,现已成为一种通用器件,广泛运用于各个技术领域。
2.集成运算放大器理想特性:在分析集成运算放大器时一般将放大器看成理想运算放大器,理想特性为(开环电压放大位数Auo=∞;差模输入电阻Ri=∞;开环输出电阻RO=∞;Vi=0 时VO=0;频带宽度BW从0到∞)。
3.集成运算放大器在线性应用时的两个推论:①虚断,由运算放大器差模输入电阻Ri=∞,推导出两个输入端的输入电流为i+-i-=0;②虚短,由于运算放大器开环电压放大位数Auo=∞,而输出电压为一个有限值,故Auo==∞,u+-u-=0,则u+=u-。
二、集成运放线性应用“三步分析法”
根据集成运算放大器在线性使用时的重要特性,对集成运算放大器在信号运算方面的分析进行归纳总结,通过一定的例题分析总结出“三步分析法”,具体方法如下:
第一步:确定集成运算放大器反相输入端电位(本步骤主要利用两个重要推论中的“虚断”概念);
第二步:确定集成运算放大器同相输入端电位(本步骤主要利用两个重要推论中的“虚短”概念);
第三步:列写出同相输入端相关电流方程,进一步求解未知量。
三、集成运算放大电路“三步分析法”应用举例
例一:电路如(图一)所示,求出电路的输出电压uO。
解:根据题意,从电路图上可知运算放大器的偏置参数,按照“三步分析法”来解题。第一步:根据“虚断”概念可知i+-i-=0,u+=uO;第二步:根据“虚短”概念可知u+=u-,故u-=uO;第三步:列写出同相输入端电流方程,i1=i2,=,uO=7.5V,问题解决。
例二:已知(图二)所示的电路,求该运算放大电路的的电压放大倍数Auf。
解:根据题意,从电路图上可知运算放大器的偏置参数,按照“三步分析法”来解题。第一步:根据“虚断”概念可知i+-i-=0,u+=0;第二步:根据“虚短”概念可知u+=u-,故u-=0,在计算时可以将电路中间的两个1KΩ电阻看作是并联的。则得到
;第三步:列写出同相输入端电流方程 ,
问题解决。
例三:已知(图三)所示的电路,ui=5V,求输出电压uO 。
解:根据题意,从电路图上可知运算放大器的偏置参数,按照“三步分析法”来解题。第一步:根据“虚断”概念可知i+-i-=0, ;第二步:根据“虚短”概念可知u+=u-,故u-=ui,则得到 ,
;第三步:列写出同相输入端电流方程 ,ui=5V,则uO=10V,问题解决。
四、集成运算放大电路“三步分析法”应用小结
集成运算放大电路的“三步分析法”实质就是以利用线性运算放大电路的理想特性以及两个重要推论为依据,将集成运算放大电路的电压放大倍数计算、输出电压的计算、偏置参数的线性计算归纳到运算放大器的反相端的电流关系上来,利用方程式求解未知量。
授予学生一个简洁、适用的分析方法,犹如给了学生一把披荆斩棘的利剑,为学生的学习扫平障碍,全面提高学习效率。
【参考文献】
[1]秦曾煌.电工学下册电子技术.高等教育出版社,1999.