运放设计原理

运放设计原理一、集成电路及其特点集成电路是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等集成工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体（硅）基片上，构成一个完整的电路。按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，其中集成电路运算放大器（线性集成电路，以下简称集成运放）是模拟集成电路中应用最广泛的，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。集成电路的特点1 单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。适合于组成差动电路。2 阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。3 大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。4. 在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替5 在集成电路中，NPN管都做成纵向管，大；PNP管都做成横向管，小而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，和（+1）差别大，IB往往不能忽略。二、集成运放电路的组成及各部分的作用1 组成2 作用如图所示，集成运放电路由四部分组成，输入级是一个双端输入的高性能差动放大电阻，要求其Ri高，Aod大，KCMR大，静态电流小，该级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，所以更新变化最多。中间级的作用是使集成运放具有较强的放大能力，故多采用复合管做放大管，以电流源做集电极负载。输出级要求具有线性范围宽，输出电阻小，非线性失真小等特点。偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点三、集成运放的电压传输特性1.符号同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同，若uP 0，则uO 0；uP 0，则uO 0，则uO 0;反之uN 0.2.电压的传输特性所谓电压传输特性，实际上是一种关系曲线如图43，即输出电压uo和输入电压ui之间的关系曲线。关系曲线明显地为两个区域，线性放大区和饱和区，斜线反映了线性放大区输入与输出之间的关系。斜率就是电压放大倍数Av=uo/ui，输出与输入幅值（或有效值）之比，两端水平线是饱和区的现象，表明输出电压uo不随输入ui =uP - uN 而变，而是恒定值+Uom（或-Uom），由特性曲线还看出线性区非常窄，这是因为差模开环放大倍数Aod非常高，可达几十万倍，只有当ui =|uP - uN |2，则 IC2 IR = (VCC-UBE)/R （42）3 问题a）IC2随VCC变化； b）要使IC2小，R必须很大c）对温度漂移没有抑制作用 d）输出电阻不够大 RO =rce22.威尔逊电流源（图47.5）1 组成在镜像电流源基础上加了T32 工作原理(4-3)其中 IR =(VCC-UBE3-UBE2)/R (4-3)3 特点和问题恒流输入管T3的Re3 rbe /2，使它的IC3稳定性大为提高，IC3与IR之间的误差也大大减小。但电源电压变化时，IC3和IR几乎按同样比例变化。要求为uA级时，R仍然太大。3.微电流源（图49 6）1 组成在镜像电流源T2管的发射极上加接电阻Re 。2 工作原理 UT .ln(IC1 /IC2)=IC2Re （44）3 特点小而稳。用不大的Re就可以使IC2为uA级。由于引入Re, IC2更加稳定。由于UBE2 PCB结构设计-PCB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版。第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。“工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用peotel 自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS：注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。 第二：PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在PCB 设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。第三：PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表（Design-Create Netlist），之后在PCB图上导入网络表（Design-Load Nets）。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行： 按电气性能合理分区，一般分为：数字电路区(即怕干扰、又产生干扰)、模拟电路区(怕干扰)、功率驱动区（干扰源）； 完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁；同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁； 对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置，必要时还应考虑热对流措施； I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件； 时钟产生器（如：晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件； 在每个集成电路的电源输入脚和地之间，需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容）；电路板空间较密时，也可在几个集成电路周围加一个钽电容。 继电器线圈处要加放电二极管（1N4148即可）； 布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉需要特别注意，在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时，应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致” 。这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一点要花大力气去考虑。布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。第四：布线。布线是整个PCB设计中最重要的工序。这将直接影响着PCB板的性能好坏。在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。布线时主要按以下原则进行： 一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm，最细宽度可达0.050.07mm，电源线一般为1.22.5mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用） 预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。 振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零； 尽可能采用45º的折线布线，不可使用90º折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线） 任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少； 关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。 通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出。 关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用 原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。PCB布线工艺要求 线一般情况下，信号线宽为0.3mm(12mil)，电源线宽为0.77mm(30mil)或1.27mm(50mil)；线与线之间和线与焊盘之间的距离大于等于0.33mm(13mil)，实际应用中，条件允许时应考虑加大距离；布线密度较高时，可考虑（但不建议）采用IC脚间走两根线，线的宽度为0.254mm(10mil)，线间距不小于0.254mm(10mil)。特殊情况下，当器件管脚较密，宽度较窄时，可按适当减小线宽和线间距。 焊盘（PAD）焊盘（PAD）与过渡孔（VIA）的基本要求是：盘的直径比孔的直径要大于0.6mm；例如，通用插脚式电阻、电容和集成电路等，采用盘/孔尺寸1.6mm/0.8mm（63mil/32mil），插座、插针和二极管1N4007等，采用1.8mm/1.0mm（71mil/39mil）。实际应用中，应根据实际元件的尺寸来定，有条件时，可适当加大焊盘尺寸；PCB板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大0.20.4mm左右。 过孔（VIA）一般为1.27mm/0.7mm(50mil/28mil)；当布线密度较高时，过孔尺寸可适当减小，但不宜过小，可考虑采用1.0mm/0.6mm(40mil/24mil)。 焊盘、线、过孔的间距要求PAD and VIA ： 0.3mm（12mil）PAD and PAD ： 0.3mm（12mil）PAD and TRACK ： 0.3mm（12mil）TRACK and TRACK ： 0.3mm（12mil）密度较高时：PAD and VIA ： 0.254mm（10mil）PAD and PAD ： 0.254mm（10mil）PAD and TRACK ： 0.254mm（10mil）TRACK and TRACK ： 0.254mm（10mil）第五：布线优化和丝印。“没有最好的，只有更好的”！不管你怎么挖空心思的去设计，等你画完之后，再去看一看，还是会觉得很多地方可以修改的。一般设计的经验是：优化布线的时间是初次布线的时间的两倍。感觉没什么地方需要修改之后，就可以铺铜了（Place-polygon Plane）。铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离），多层板时还可能需要铺电源。时对于丝印，要注意不能被器件挡住或被过孔和焊盘去掉。同时，设计时正视元件面，底层的字应做镜像处理，以免混淆层面。第六：网络和DRC检查和结构检查。首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（NETCHECK），并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证布线连接关系的正确性；网络检查正确通过后，对PCB设计进行DRC检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证PCB布线的电气性能。最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。第七：制版。在此之前，最好还要有一个审核的过程。PCB设计是一个考心思的工作，谁的心思密，经验高，设计出来的板子就好。所以设计时要极其细心，充分考虑各方面的因数（比如说便于维修和检查这一项很多人就不去考虑），精益求精，就一定能设计出一个好板子。开关电源的PCB设计规范在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:一、从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。三、元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路：(1). 电源开关交流回路(2). 输出整流交流回路(3). 输入信号源电流回路(4). 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下： 放置变压器 设计电源开关电流回路 设计输出整流器电流回路 连接到交流电源电路的控制电路 设计输入电流源回路和输入滤波器 设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1) 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。(2) 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集.(3) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC。(4) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。(5) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(6) 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。(7) 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。四、布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：1. 正确选择单点接地通常，滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本开关电源中，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路 （中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，这样电源工作较稳定，不易自激。做不到单点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。2. 尽量加粗接地线 若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候，还须遵循以下原则：(1).布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。(2).设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应90度,力求线条简单明了。(3).印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“