课程设计—集成运放F007的设计与仿真.docx

课程设计报告集成运放f007的设计与仿真院 系： 材料与光电物理学院专 业： 微电子学一班 报告提交日期： 2010 年 9 月目录摘 要1关键词1一、集成运算放大器简介5二、集成运放f007简介7三、仿真91)、直流分析9 .直流扫描分析9.加补偿电压直流分析102)、交流小信号分析11.差模小信号分析11.共模小信号分析113）、瞬态分析12四、结论13致谢14参考文献15附 录16集成运放f007的设计与仿真摘 要：首先，本文对集成运放作了简单的介绍，然后对f007工作原理和电路结构的基础作了大致介绍，设计出电路并对其整个电路进行了分析仿真，所用软件为pspice9.2，分别进行直流分析、交流分析、瞬态分析。根据仿真结果，分析其波形图，最后总结出f007的相关参数。关键词： pspice9.2 ，直流分析，交流分析，瞬态分析，参数design and simulation of integrated opamp f007abstract: in this paper, the integrated opamp is introdused at first. then the integrated opamp f007 is introdused .the circuit is designed and the simulation of this circuit is carried out by pspice9.2. do dc analysis 、ac analysis and transient analysis . according to the results of the simulation, its waveform and timing delay are analyzed. at last, summarize the parameter of f007.keywords: pspice9.2，dc analysis，ac analysis，transient analysis，parameter引 言运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放。集成运放一般由偏置电路、输入级、中间级、输出级4部分组成。集成运放分为通用型集成运放和专用集成运放。f007属于通用集成运放，它的电路特点是：采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护等。它是目前国内应用极为广泛的一种高增益通用运算放大器。其主要特点是输入级采用了npn和pnp两种极性晶体管构成的共集共基互补差动电路，具有很宽的共模及差模电压范围。同时该放大器的各级均采用有源负载，所以虽然只有两个增益级，却可获得高达5万倍至10万倍的电压增益。f007内部还设有输出短路保护电路，输入级也有保护措施，应用中不堵塞。该电路采用内补偿方式，并设有外接调零端。 本文先对集成运放进行了大致介绍，运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。集成运放一般由4部分组成：偏置电路、输入级、中间级、输出级。对偏置电路、输入级、中间级、输出级的作用作了详细介绍。然后具体对集成运放f007电路结构、运行参数进行初步的认识。f007属于通用集成运放，它的电路特点是：采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护等。并给出了其原理电路图。同时对其偏置电路、输入级、中间级、输出级的组成各参数进行了分析。最后对电路进行了pspice仿真，进行性能分析。先对pspice简单介绍pspice是由spice（simulation program with intergrated circuit emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用fortran语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。它主要分为：电路原理图编辑程序 schematicspspice的输入有两种形式，一种是网单文件（或文本文件）形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。 激励源编辑程序 stimulus editorpspice中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。 电路仿真程序 pspice a/d模拟计算程序是pspice a/d也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。在pspice 4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件（给图形后处理程序probe）和扩展名为.out的电路输出文本文件。模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch 的电路输入文件。因此在schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动pspice a/d进行模拟分析。输出结果绘图程序 probeprobe程序是pspice的输出图形后处理软件包。该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。随着计算机图形功能的不断增强，pc机上windows95,98,2000/xp的出现，probe的绘图能力也越来越强。 模型参数提取程序 model editor电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。尽管pspice的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。这时可以调用模型参数提取程序model ed从器件特性中提取该器件的模型参数仿真分为三个部分：一、 直流分析直流分析又分为直流扫描分析和加补偿电压直流分析。通过前者可以得出其输入失调电压为v1-0.462mv。直流传输特性大致可分为三段：当v1-0.789mv时，vout-13.82v，运放负向饱和；当v1-0.206mv时，vout+14.81v，运放正向饱和；在-0.789mvv1-0.206mv时，输出电压随输入电压线性变化，即运放工作在线性放大状态，可见此状态下最大输入电压（峰值）只有0.1mv左右。线性区传输特性曲线的斜率即是运放的开环查模电压增益avd。输出电压正向摆幅约为14.2v，负向摆幅约为13.8v。通过后者可以得到电路直流工作点及晶体管参数，详细可见附录二。二、 交流小信号分析交流小信号分析又分为差模小信号分析和共模小信号分析。通过差模增益的幅频与相频特性曲线以及共模增益的幅频频特性曲线分别得出两种情况下的开环低频增益，进而得出在这种条件下共模抑制比kcmr。三、 瞬态分析用方波电压，做瞬态分析，根据得到输出电压波形图可知：输出电压波形上升沿的转换速率、下降沿的转换速率。本文结尾综述了对于此次课程设计的总体感受，收获很大。一、集成运算放大器简介运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。集成运放的结构与符号集成运放一般由4部分组成，结构如图1所示。图11）偏置电路 偏置电路的作用是向各级放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。放大电路中，各级要完成的功能不同，因此对偏置电流的要求各不相同。对于输入级，通常要求提供一个比较小（一般为微安级）的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提供高集成运放的输入电阻降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等等。在集成运放中，常用的偏置电路有镜像电流源、比例电流源、微电流源等等。2）输入级 集成运放输入级的主要目的是抑制共模信号，且其性能对集成运放的其他性能起决定性作用，是提高集成运放质量的关键。为达到上述目标，输入级常采用差分放大电路的形式。差分放大电路的形式主要有：基本形式、长尾式和恒流源式。根据集成电路的工艺特点，集成电路中常用恒流源式差分电路作为输入级。3中间级 中间级的主要任务是提供足够大的电压增益。从这个目标出发，不仅要求中间级本身具有较高的电压增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输入电阻。尤其当输入级采用有源负载时，输入电阻问题更为重要，否则将使输入级的电压增益大为下降，失去了有源负载的优点。另外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能根据需要实现单端输入至差分输出，或差分输入至单端输出的转换。为了提高电压增益，集成运放的中间级经常利用有源负载。另外，中间级的放大管有时采用复合管的结构形式。4）输出级 集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻以便增强带负载能力，也应有较高的输入电阻，以免影响前级的电压增益。由于输出级工作在大信号状态，应设法尽可能减小输出波形的失真。此外，输出级应有过载保护措施，以防输出端短路或负载电流过大而烧毁功率管。根据上述要求输出级一般采用功率放大电路。集成运放中常采用互补对称电路的形式。二、集成运放f007简介集成运放分为通用型集成运放和专用集成运放。f007属于通用集成运放，它的电路特点是：采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护等。它的原理电路如图2所示图21）、偏置电路 偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。f007的偏置电路由t8t13组成。基准电流由t12、r5、t11，和电源ec（15v）、ee（- 15v）决定：t10、t11和r4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供t9所需的集电极电流，即ic10ic9 2ib3；t8与t9 组成镜像恒流源电路，提供t1、t2的集电极电流，即ic1ic2ic9，t12与t13组成镜像恒流源电路，提供中间级t16、t17的静态工作电流，并充当其有源负载。 2）、输入级 输入级对集成运放的多项技术指标起着决定性的作用。它的电路形式几乎都采用各种各样的差动放大电路，以发挥集成电路制造工艺上的优势。f007的输入级电路是由t1t7组成的带有恒流源及有源负载的差动放大电路。有源负载是由t5，t6、t7及r1、r2、r3组成的改进型镜象恒流源电路。用它作差动放大电路的有源负载，不仅可以提高电压放大倍数，还能在保持电压放大倍数不变的条件下，将双端输出转化为单端输出。 t1t4组成共集一共基型差动放大电路。其中，t1、t2接成共集电极形式，可以提高电路的输入阻抗，同时由于uc1uc2 = ec - ube8，因而共模信号正向界限接近ec，即提高了共模信号的输入范围；t3、t4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时还能完成电位移动功能，使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接npn型管；由于pnp型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30v以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与npn管隔离开的作用。 3）、中间级 中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，有时还要完成双端输出变单端输出，电位移动等功能。f007的中间级是由复合管t16、t17和电阻r6组成的共发射极放大电路，t12、t13组成的镜象恒流源作为它的有源负载，因而可以获得很高的电压放大倍数。r6起电流负反馈作用可以改善放大特性。 4）、输出级 输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。f007输出级采用的就是由t14和复合管t18、t19组成的互补对称电路。r7、r8和t15组成电压并联负反馈偏置电路，使t15的c、e两端具有恒压特性，为互补管提供合适而稳定的偏压，以消除文越失真。d1、d2和r9、r10组成过载保护电路，正常工作时，r9、r10上的压降较小，d1、d2均处于截止状态，即保护电路处于断开状态，一旦因某种原因而过载，t14及复合管的电流超过了额定值，则r9、r10上的压降明显增大，d1、d2将导通，从而对t14和t15的基极电流进行分流，限制了输出电流的增加，保护了输出管。三、仿真f007电路原理图图3电路输入网单见附录一1)、直流分析 .直流扫描分析令v2=0,q1基极加扫描电压v1，做直流扫描分析，求得直流特性如图4所示：图4由图可以看出：当输入电压v1为0时，输出电压约为14.752v.运放已正向饱和。为了使输出电压为零，输入电压v1-0.462mv，这便是输入失调电压。直流传输特性大致可分为三段：当v1-0.789mv时，vout-13.82v，运放负向饱和；当v1-0.206mv时，vout+14.81v，运放正向饱和；在-0.789mvv1-0.206mv时，输出电压随输入电压线性变化，即运放工作在线性放大状态，可见此状态下最大输入电压（峰值）只有0.1mv左右。线性区传输特性曲线的斜率即是运放的开环查模电压增益avd。很明显，输出电压正向摆幅约为14.2v，负向摆幅约为13.8v。.加补偿电压直流分析设v2=0，q1基极加补偿电压v10.4618mv，做直流分析，得电路直流工作点及晶体管参数见附录二2)、交流小信号分析 .差模小信号分析差模增益的幅频与相频特性曲线如图5所示：图5由图知开环低频增益为80.3db.共模小信号分析共模增益的幅频频特性曲线如图6所示：，图6由图知开环低频增益约为-5.8db在这种条件下共模抑制比kcmr=80.3db-(-5.8db)=86.1 db,符合f007的实际共模抑制比80903）、瞬态分析 将节点21与节点2用零值直流电压源v3短接起来（同时去掉v2），将输入信号改为指定的方波电压，做瞬态分析，得到输出电压波形如图7所示：由图可知：输出电压波形上升沿的转换速率sr0.67v/us 下降沿的转换速率sr0.55 v/us图7四、结论此次课程设计是集成运放f007的设计和仿真，比较简单，但是应元件的选择应在理解了电路的工作原理和掌握具体的工作过程之上，选取最合适的元件，以得到最理想的结果。在实际的元件选用中，还应该考虑不同情况所需元件的规格不同和其造价从而选用不同的元件。从以上的设计、仿真和分析过程以及许多文献中都可以看出集成运放f007要考虑到的东西远远不止这些，但是已涉及到的无疑也是很重要的，由于本人时间和水平有限，目前只能做到此等程度。但是在以后的学习中一定会好好学习，加以改正和提高。致谢首先我们衷心感谢唐明华老师一个学期来对我们vlsi课程的学习的辛苦付出，正是唐明华老师对我们给予了悉心的教导，才使这次课程设计得以顺利进行。同时这样一次课程设计自由选择方式极大提高了我们的兴趣，提供给我们这样一个锻炼自己的机会，让我们第一次感受到学来的知识不只是书本上的字符，而是一把钥匙 ，一项工具。能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，发现我们不足的同时使我们能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们实践操作和理论知识相结合的能力，提高了独立思考的能力。 最好还是要对唐明华老师说声感谢，还有就是这次课程设计当中给予我帮助的同学们！参考文献1华成英、童诗白.模拟电子技术基础第四版. 高等教育出版社,20062 高文焕 汪蕙. 模拟电路的计算机分析与设计pspice程序应用. 清华大学出版社, 1999.3康华光主编：电子技术基础（模拟部分）第四版，高等教育出版社，1999年出版。4朱定华、吴建新、饶志强编著：模拟电子技术，清华大学出版社，2005年出版。5高吉祥主编：电子技术基础实验与课程设计，电子工业出版社，2002年出版。 6 彭介华主编：电子技术课程设计指导，高等教育出版社，2002年出版。7陈大钦主编：电子技术基础实验电子电路实验、设计、仿真，高等教育出版社，2002年出版。8 高文焕 汪蕙 模拟电路的计算机分析与设计pspice程序应用m 北京:清华大学出版社 1999 143-151页9 汪建明 pspice电路设计与应用m 北京：国防工业出版社 。10 卢勤庸 电子电路仿真基于pspice a/dm 北京：科学出版社。附 录附录一: 集成运放f007电路输入网单1） * source f0072） q_q15 n06348 16 17 q2pc4081q/plp 3） q_q4 8 6 4 q2pa1576q/plp 4） c_c 8 n06348 30p 5） d_d2 out 16 bal99/ztx 6） r_r4 12 vee 3k 7） q_q18 23 17 22 q2pa1576q/plp 8） r_r7 16 17 50 9） r_r10 20 out 25 10） q_q12 14 14 vcc q2pa1576q/plp 11） r_r5 14 13 39k 12） q_q7 vcc 7 9 q2pc4081q/plp 13） q_q10 6 13 12 q2pc4081q/plp 14） v_vee vee 0 dc -15 ac 0 15） r_r6 n06348 16 50 16） r_r11 out 22 50 17） q_q9 6 5 vcc q2pa1576q/plp 18） q_q14 vcc n06348 20 q2pc4081q/plp 19） r_r9 19 vee 50 20） q_q13 vcc 14 n06348 q2pa1576q/plp 21） q_q16 17 8 18 q2pc4081q/plp 22） v_v2 v2 0 dc 0 ac 0 23） q_q19 vee 23 22 q2pa1576q/plp 24） r_r8 18 vee 50k 25） r_r1 10 vee 1k 26） v_vcc vcc 0 dc 15 27） q_q3 7 6 3 q2pa1576q/plp 28） r_r2 9 vee 50k 29） q_q6 8 9 11 q2pc4081q/plp 30） q_q17 17 18 19 q2pc4081q/plp 31） q_q2 5 v2 4 q2pc4081q/plp 32） q_q5 7 9 10 q2pc4081q/plp 33） q_q8 5 5 vcc q2pa1576q/plp 34） v_v1 v1 0 dc 0 ac 0 35） d_d1 16 out bal99/ztx 36） r_r3 11 vee 1k 37） q_q1 5 v1 3 q2pc4081q/plp 38） q_q11 13 13 vee q2pc4081q/plp 附录二: 直流工作点及晶体管参数如下：* small signal bias solution temperature = 27.000 deg c* node voltage node voltage node voltage node voltage( 3) -.5225 ( 4) -.5222 ( 5) 14.4580 ( 6) -1.0392 ( 7) -13.9440 ( 8) -13.7530 ( 9) -14.4630 ( 10) -14.9900 ( 11) -14.9900 ( 12) -14.9120 ( 13) -14.3620 ( 14) 14.3670 ( 16) 158.3e-06 ( 17) -.0614 ( 18) -14.2930 ( 19) -14.9390 ( 20)-44.13e-06 ( 22)-44.14e-06 ( 23) -.2152 ( v1)-461.8e-06 ( v2) 0.0000 ( out)-44.13e-06 ( vcc) 15.0000 ( vee) -15.0000 (n06348) .0618 voltage source currents name current v_vee 2.029e-03 v_v2 -4.933e-08 v_vcc -2.029e-03 v_v1 -4.899e-08 total power dissipation 6.09e-02 watts* 08/26/10 16:47:21 * pspice 9.2 (mar 2000) * id# 1 * * profile: schematic1-77 g:orcad.pspice.9.2f007-schematic1-77.sim * operating point information temperature = 27.000 deg c* diodesname d_d2 d_d1 model bal99/ztx bal99/ztx id -4.80e-11 4.82e-11 vd -2.02e-04 2.02e-04 req 4.22e+06 4.19e+06 cap 9.90e-16 9.98e-16 * bipolar junction transistorsname q_q15 q_q4 model q2pc4081q/plp q2pa1576q/plp ib -7.57e-14 -4.31e-08 ic 3.67e-13 -1.03e-05 vbe 6.16e-02 -5.17e-01 vbc -6.16e-02 1.27e+01 vce 1.23e-01 -1.32e+01 betadc -4.85e+00 2.40e+02 gm 6.30e-12 3.99e-04 rpi 6.52e+12 6.22e+05 rx 1.00e+00 1.00e+00 ro 9.45e+11 4.67e+06 cbe 1.51e-11 2.16e-11 cbc 2.07e-12 1.09e-12 cjs 0.00e+00 0.00e+00 betaac 4.11e+01 2.48e+02 cbx/cbx2 1.28e-12 6.44e-13 ft/ft2 5.45e-02 2.72e+06 name q_q18 q_q12 model q2pa1576q/plp q2pa1576q/plp ib 2.54e-14 -3.38e-06 ic -4.29e-13 -6.45e-04 vbe -6.14e-02 -6.33e-01 vbc 1.54e-01 0.00e+00 vce -2.15e-01 -6.33e-01 betadc -1.69e+01 1.91e+02 gm 6.65e-12 2.47e-02 rpi 1.84e+12 7.73e+03 rx 1.00e+00 1.00e+00 ro 9.89e+11 5.45e+04 cbe 1.35e-11 4.60e-11 cbc 3.76e-12 4.31e-12 cjs 0.00e+00 0.00e+00 betaac 1.22e+01 1.91e+02 cbx/cbx2 2.22e-12 2.54e-12 ft/ft2 5.42e-02 7.43e+07 name q_q7 q_q10 model q2pc4081q/plp q2pc4081q/plp ib 4.40e-08 1.41e-07 ic 1.08e-05 2.93e-05 vbe 5.19e-01 5.50e-01 vbc -2.89e+01 -1.33e+01 vce 2.95e+01 1.39e+01 betadc 2.46e+02 2.07e+02 gm 4.17e-04 1.13e-03 rpi 5.92e+05 1.84e+05 rx 1.00e+00 1.00e+00 ro 9.05e+06 2.80e+06 cbe 2.53e-11 2.81e-11 cbc 4.73e-13 6.24e-13 cjs 0.00e+00 0.00e+00 betaac 2.47e+02 2.08e+02 cbx/cbx2 2.91e-13 3.84e-13 ft/ft2 2.54e+06 6.19e+06 name q_q9 q_q14 model q2pa1576q/plp q2pc4081q/plp ib -1.12e-07 -1.81e-12 ic -2.93e-05 2.02e-11 vbe -5.42e-01 6.18e-02 vbc 1.55e+01 -1.49e+01 vce -1.60e+01 1.50e+01 betadc 2.62e+02 -1.12e+01 gm 1.13e-03 7.23e-12 rpi 2.38e+05 6.48e+12 rx 1.00e+00 1.00e+00 ro 1.74e+06 6.99e+11 cbe 2.32e-11 1.51e-11 cbc 1.01e-12 5.99e-13 cjs 0.00e+00 0.00e+00 betaac 2.68e+02 4.69e+01 cbx/cbx2 5.98e-13 3.68e-13 ft/ft2 7.24e+06 7.18e-02 name q_q13 q_q16 model q2pa1576q/plp q2pc4081q/plp ib -8.85e-05 9.53e-08 ic 1.32e-03 1.98e-05 vbe 1.43e+01 5.39e-01 vbc -6.33e-01 -1.37e+01 vce 1.49e+01 1.42e+01 betadc -1.49e+01 2.08e+02 gm -4.67e-02 7.64e-04 rpi 2.12e+14 2.73e+05 rx 1.00e+00 1.00e+00 ro 2.14e+01 4.16e+06 cbe 3.94e-12 2.70e-11 cbc 7.45e-10 6.18e-13 cjs 0.00e+00 0.00e+00 betaac -9.91e+12 2.09e+02 cbx/cbx2 4.40e-10 3.80e-13 ft/ft2 -6.26e+06 4.35e+06 name q_q19 q_q3 model q2pa1576q/plp q2pa1576q/plp ib 4.29e-13 -4.26e-08 ic -1.15e-10 -1.03e-05 vbe -2.15e-01 -5.17e-01 vbc 1.48e+01 1.29e+01 vce -1.50e+01 -1.34e+01 be