CMOS二级运算放大器设计 （东南大学集成电路学院） 一．运算放大器概述 运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。 它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。 二．设计目标 1.电路结构 最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 图两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。M6 提供给M7 的工作电流。M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。相位补偿电路由M14和Cc构成。M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。 3.设计指标 两级运放的相关设计指标如表1。
表1 两级运放设计指标 三．电路设计 第一级的电压增益： )||(422111o o m m r r g R G A == 第二级电压增益： )||(766222o o m m r r g R G A =-= 所以直流开环电压增益： )||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -== 单位增益带宽： c m O C g A GBW π2f 1 d == 偏置电流： 2 13 122121)/()/()/(2??? ? ??-=L W L W R L W KP I B n B 根据系统失调电压： 7 5 6463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W == 转换速率： ? ?? ???-=L DS DS C DS C I I C I SR 575,min 相位补偿： 12.1)/()/()/()/(1 61311 146 6+== m m m C g g L W L W L W L W g R
1.1运放的典型设计和应用 1.1.1运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。 1) 运放在有源滤波中的应用 图有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 2) 运放在电压比较器中的应用 图电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。 3) 恒流源电路的设计
如图所示，恒流原理分析过程如下： U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故V4 V1=; 由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A （上图中上边的运放）有： V5 V3=； 而 () 421 2020 V4-Vref V5V R R R ++? =； ()019 1819 0-V2 V3++?=R R R ; 有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=- 当参考电压Vref 固定为时，电阻R30为Ωk ,电流恒定输出。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
多媒体教室运维管理系统设计与开发 摘要：文章结合温州大学的多媒体教室管理实际，运用Web技术，研发出了一个多媒体教室运维管理系统，实现多媒体教室管理信息的统一性和规范性，提高维护人员的管理效率和工作水平。该系统实现了用户管理、教室报修、计算机报修、日常维护记录、灯泡更换记录、设备更换记录等功能模块。 关键词：多媒体教室；教室管理；管理系统 在计算机技术、网络技术、多媒体技术的迅速发展下，多媒体教学已成为当今先进教学手段。据调查统计，我国高校已普遍采用多媒体教学，与之密切相关的多媒体教室管理在高校中占据着至关重要的作用。近年来，高校的扩招，教室的使用率逐年上升，引发了设备在维护与管理等方面的一系列问题，多媒体教室的工作重心也从建设方面转移到维护和管理方面。结合多媒体教室维护与管理实际，设计研发出基于校园网、功能完整、结构清晰的多媒体教室运维管理系统，有效地保证多媒体教室管理工作的质量，为多媒体教室的建设和维护等提供重要参考依据。 1 需求分析 多媒体教室管理工作主要包括非多媒体设备资产性的管理与设备日常维护、更换等记录，以及对这些数据进行查询、统计等工作。但目前记录这些信息大多还停留在纸质或Excel表格形式上，且各个教学楼的信息由不同的维护人员来记录和更新，记录格式不统一，信息不规范，数据易丢失，不利于各种数据查询、统计和修改，对设备的维护也不能及时地提供科学参考。根据以上存在的问题，研发一个多媒体教室运维管理系统是多媒体教室科学、规范化管理的首要任务之一。 结合多媒体教室日常管理工作事宜，该系统功能基本需求如下： 教室报修单的录入、查询、打印、统计等功能，其中教室报修项目包括投影机、中控、音箱、讲台、线路、功放、幕布等项目报修。 计算机报修单、日常维护记录信息、灯泡更换记录信息及设备更换记录信息的录入、查询、打印、统计等功能。 2 总体设计 针对需求分析，对教室的运行与管理工作进行整理与归类，以维护人员与部门主管两个角色，为本系统的功能需求进行了详细的设计，具体工作流程如图1所示。 维护人员根据日常维护中出现的设备故障，如投影机、幕布、计算机、音箱、功放、线路，等故障，在系统中的教室报修或计算机报修模块中报修，部门主管
电子工程师必备基础知识（一） 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 电子工程师必备基础知识（二） 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识（三） 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正
CMOS 两级运放的设计 1设计指标 在电源电压0-5V,采用0.5um上华CMOS工艺。完成以下指标： 2电路分析 2.1 电路图 2.2电路原理分析
两级运算放大器的电路结构如图1.1所示，偏置电路由理想电流源和M8组成。M8将电流源提供的电流转换为电压，M8和M5组成电流镜，M5将电压信号转换为电流信号。输入级放大电路由 M1～M5 组成。M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。；M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过M1，2的电流与流过M3,4的电流 1,23,45/2 d d d I I I ==。输出级放大电路 由M6、M7 组成。M6 将差分电压信号转换为电流，而M7 再将此电流信号转换为电压输出。M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由Cc 构成，构成密勒补偿。 3 性能指标分析 3.1 直流分析 由于第一级差分输入对管M1和M2相同，有 第一级差分放大器的电压增益为： 1 124m v ds ds g A g g -= + 第二极共源放大器的电压增益为 6 267 m v ds ds g A g g -= + 所以二级放大器的总的电压增益为 1626 1224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ=== ++++ 3.2频率特性分析 设1C 为第一级输出节点到地的总电容，有 1 2 2446GD DB GD DB GS C C C C C C =++++ 设2C 表示第二级输出节点与地之间的总电容，有 2 6 77DB DB GD L C C C C C =+++
1.1智能运维管理系统 1.1.1设计目标 公安将关键业务运行于IT网络系统之上，那么该系统是否能够正常运行直接关系到业务是否能够正常运行的关键之所在。但目前普遍管理人员经常面临的问题是：网络变慢了、设备发生故障、应用系统运行效率很低、想升级改造系统但无法说清问题的真实原因。网络系统的任何故障如果没有及时得到妥善处理都将会导致很大的影响甚至会成为灾难。因此，如何保障网络系统的正常运行，实现：预知故障，即在故障发生之前发现故障；实时告知，即在第一时间将故障情况通知相关的管理人员；有效处理，即在预定的时间内处理故障，若未及时处理将采取升级措施；以上问题简单来说，如何实现“第一时间发现问题”、“第一时间通知相关人员”，“第一时间处理问题”，成为智能运维管理系统主管关注的重点问题。 本系统设计目标是建设一套对平台服务器、服务软件模块、数字视频设备、监控摄像头和图像质量进行定时巡检诊断、故障记录、告警、统计分析、故障旁路、设备和软件模块整合于一体的智能化运维管理系统。 1.1.2系统组成结构 系统由设备巡检服务器、视频信号诊断服务器、报警转发服务器、网管客户端和数据库组成。 设备巡检服务器通过向各本服务器、服务软件模块、数字视频设备发送巡
检指令来获取设备运行状态，对于故障设备，按照服务器热备策略自动启动备份服务器（如流媒体服务器），或重启设备和服务模块，以实现故障旁路和自动恢复功能。 视频信号诊断服务器对系统内视频信号轮巡检测，检测结果在数据库自动产生记录并告警； 故障信号通过报警转发服务器向网管客户端、手机和电子邮件发送告警信息。 为了提高故障检测诊断效率，增强故障发现的实时性，设备巡检服务器可以分布部署，设计在每个分局部署一台设备巡检服务器，负责对本网络区域内设备的巡检。 报警转发服务器和数据库仍利用一期的设备，无需另外配置。 系统原理结构图如图4.5所示。
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，β大；PNP管都做成横向管，β小 而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，β和（β+1） 差别大，I B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R i高，A od大，K CMR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u P >0，则u O >0；u P <0，则u O <0. 反相输入端表示输入电压与输出电压相位相反，若u N >0，则u O <0;反之u N <0，则u O >0. 2.电压的传输特性
1.1运放的典型设计和应用 1.1.1 运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、 有源滤波器、 振荡器及电压比较器。 1）运放在有源滤波中的应用 图5.2有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦 -凯 电路，是巴特沃兹电路的一种） 让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将 R233和R230的阻值选一 致，C50和C201的容量大小选取一致（两级 RC 电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路） ，这 样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻 R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 2）运放在电压比较器中的应用 。有源滤波的好处是可以 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 +5VA +3.3V
图5.3电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器 LM393，将其转化为同频率的方波 信号（存在反相，让软件处理一下就可以） ，该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273 ）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是 R275，R275决定了方波的上升速度。 3）恒流源电路的设计 如图所示，恒流原理分析过程如下: U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故 V1 V4； 由运算放大器的虚短原理，对于运放 U4A （上图中上边的运放）有： V3 V5； 而 V5 Vref-V4?R20R 20 R 21 V 4 ； 有以上等式组合运算得： V2 V1 Vref 当参考电压 Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6 k ,电流恒定输出0.5mA 。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是： 所有的电阻都需要采用高精度 电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的 好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短 路时，不至于对恒流源电路造成损坏。 V3 V2 - 0 ? R 19 /R18 R 19 0; use TLC2272AIO
运放内部电路结构涉及知识点讲解 专栏介绍本课程为运放专题讲解，重点讲解了运放的内部电路结构，帮助深入理解运放的工作原理。运放是设计使用非常频繁且非常重要器件，通常在信号放大，电流采样电路里常见，对于初学者经常感到困惑，所以掌握好能够帮助你很好的分析电路，使你在处理信号电路设计时得心应手，本课程会通过空气净化器项目来带领大家一起学习，让大家快速的成长为一名有经验的能够独立做项目的研发工程师或高级工程师 涉及知识点： 1、什么叫推挽电路？什么叫射极输出？推挽电路为什么能实现电压跟随，电流放大？为什么推挽电路不会出现串红现象？ 2、什么叫运算放大器？为什么说运放在电路设计中有着极其重要的作用。 3、详细讲解运算放大器内部三大结构。 4、详细讲解三极管放大电路，什么叫三极管的Q点，以及Q点如何设置，以及由此引出的直流偏置电路，什么叫交流耦合，交流信号如何传递耦合，输出极性如何？ 5、什么叫差分输入？为什么要引入差分输入，如何提高差分信号的放大能力？ 6、什么叫共模干扰？如何抑制共模干扰？ 7、什么叫反馈，负反馈，反馈的重要作用，详细讲解运放为什么引入深度负反馈才能工作在放大区。为什么说运放的反馈网络是工作稳定的？ 8、详细讲解运放的四种构成形态，电压串联，电压并联，电流串联，电流并联，以及如何判断？ 9、详细讲解为什么引入深度负反馈后的运放有着“虚短”和“虚断”的两个重要特征。 10、如何设计运放放大电路，如何根据“虚短”和“虚断”计算放大倍数。 受众群体有哪些？ 1、如果你还是学生，正厌倦于枯燥的课堂理论课程，想得到电子技术研发的实战经验； 2、如果你即将毕业或已经毕业，想积累一些设计研发经验凭此在激烈竞争的就业大军中脱颖而出，找到一份属于自己理想的高薪工作；
关于“数据采集系统”项目 技术指标要求 该系统主要包含四部分组成；便携式数据采集系统、测量附件系统、专业测量与分析软件系统。具体配置及主要技术要求如下。 1.云智慧数据采集分析仪 1)通道数：11个。8个模拟输入通道，1个转速输入通道，2个模拟输出通道； 2)数据传输方式：网线，无线，支持网络式远程操作，可以扩展3G信号远程 实时在线监测。 3)每通道独立24位AD模数转换。 4)每台采集仪内置16G存储,支持离线采样。 5)所有通道同步采集时，每通道最高采样频率204.8KHz，采样频率任意设置。 DA精度：有效数据位31位，输出最高频率192KHz 6)可以进行多台级联级联，最大可定制到64 台或更多台级联，多机GPS及北 斗双模异地同步、多机1588同步。 7)输入幅值精度优于0.03mVrms@±10V量程。相位匹配：优于0.2°@10kHz。 8)内置1、10、100、1000倍放大，输入量程可选择。 9)动态范围为120dB（典型值），保证值为110dB，任意通道间干扰优于-120dB。 10)可外接DC9～36V供电，支持POE供电模式。 11)内置可充电锂电池，无外供电独立工作时间可支持8小时。 12)支持断电重启后采集状态自动恢复和自动零点校准； 13)可外输出5V、9V、12V、15V直流电压/1Ch转速输入,5VDC供电,25MHz高速
采样信号源输出通道，最大输出电压：±10VP，最大输出电流：5mA，每通道不低于24 位AD模数转换。 14)信噪比不低于110dB，输出最高频率不低于192KHz，幅值精度：优于0.2%。 信号类型：正弦、正弦扫频、随机、磁盘文件等，能将采集的数据进行回放。 15)采集仪对外接口必须是lemo接头。 16)外形尺寸(mm)不大于：L210×W120×H50，重量:不大于2kg。保证系统便携。 2.专业级信号分析软件 1)Windows8/7/XP操作系统，支持64位操作系统，支持台式机和笔记本电脑， 云智慧模式可利用Web浏览器登陆，支持iPad及安卓、苹果等手机系统 2)支持在3G通信方式下，通过数据采集软件和Web对远程网络采集仪进行设 置、示波、时域统计、状态查询、数据下载等，Web方式兼容IE、safari、chrome等浏览器，支持电脑，Pad和手机操作，此方式传输距离无限制。3)软件分析频率精度10-12数量级，软件分析幅值精度10-12数量级，在适当测 试条件下，测试系统频率精度最高可达10-8数量级，测试系统幅值精度可达10-3数量级。 4)具有超低频快速测量技术，测量时间为信号周期的1/10时，频率误差为2%， 幅值误差为3%，当测试时间为信号周期的1/4时，频率误差为0.2%，幅值误差为0.6%。 5)可以进行数据浏览，各种分析结果的输出，包括图形的复制、保存、打印。 将分析结果进行各种文件格式（文本、Excel表格、ACCESS、matlab等）的输出，也可直接把图形和数据输出报告。 6)实时分析：实时显示和分析记录时域谱、FFT谱、功率谱、1/3倍频程谱、 振动量级、声压级。 7)实时报警分析：可设置振动和声源报警阈值，对超过阈值的数据在软件界面 上实时进行报警。 8)按通道设置采样率的功能：可对不同的通道设定不同的采样频率，并进行不 同的处理，每个通道可以独立设置不同的采样率。
LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计 V SS vout iref 图 1两级CMOS 运算放大器 一：基本目标： 参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标： 5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =- 5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ> out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤ 相位裕度：60o 为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点： 单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。
表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 二：两级放大电路的电路分析： 图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流 1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结 构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。 表2 m μ工艺库提供的模型参数 表3 一些常用的物理常数
高增益二级运放的设计 重庆邮电大学重庆国际半导体学院年级：2011级 班级：1611101 姓名：王强
引言 相对与数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。但这并不适用于模拟电路设计。一般来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。因此，仔细研究模拟电路的设计过程，熟悉那些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的。 运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。各种不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。伴随者每一代CMOS 工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。 运算放大器的设计可以分为两个较为独立的两个步骤。第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。一般来说，决定好了电路结构以后，便不会更改了，除非有些性能要求必须通过改变电路结构来实现。 一旦结构确定，接着就要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等等，这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。为了满足运放的交流和直流要求，所有管子都应被设计出合适的尺寸。然后在手工计算的基础上，运用计算机模拟电路可以极大的方便对电路进行调试和修改。但要记住，手算是绝对必需的！通过手算，可以深入的理解电路，对于设计多边形法则也可以更好进行权衡和把握。 电路分析 图1.1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7M8M9 M10 M11M12Vin+ Vin-Vout Vin1Iss GND VDD
电路结构 最基本的CMOS 二级米勒补偿运算放大器的结构如图1.1所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 电路描述 输入级放大电路由M 1～M 8组成。M 1和M 2组成NMOS 差分输入对， 差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰。 输出级放大电路由M 9、M 10组成。M 9为共源放大器，M 10为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由R 和C C 构成，与电容C C 一起跨接在第二级输入与第一级输出之间，构成RC 密勒补偿。 静态特性 暂时不考虑电阻R ，绘出电路的等效模型，如图1.2所示。 图1.2 由于第一级差分输入对管M 1 、M 2 相同，可以得到： 112m G gm gm == (1) R 1表示第一级输出电阻，其值可以表示为： 1113557||m o o m o o R g r r g r r = (2) 则第一级的电压增益为： ()1111113557||V m m m o o m o o A G R g g r r g r r == (3) 对第二级有： 29m G gm = (4) 2910||o o R r r = (5) ()2229910||V m m o o A G R g r r == (6) ()()12112211135579910||||V V V m m m m o o m o o m o o A A A G R G R g g r r g r r g r r === (7) ` `` +-V in1 +-V in2+- V out G m1V in1 G m2V in2 R 1 R 2 C 1 C 2 C C
方案分析： 两级放大的参数选取能在不失真的情况下尽可能的放大小信号，所以，两级放大的参数极为重 要。 电路分析： 图 4-1 三极管两级放大器 I b 1 V cc U BE1 U BE1 R6；I c1 I b1 , I e1 (1 ) I b 1； R2 (1 )( R5 R6) R3 R5 静态工作点：由公式 U ce1V cc I c1 R 4 I e1 (R 5 R 6 ) ；可求出Q1的静态工作点，即Ube1等于 7V，由于 Q1和 Q2间是电容耦合，所以两个晶体管的静态工作点不相互影响，由公式 V cc U be2 I b 2 R7(1)( R10 Q2 的静态工作点电容相当于短路， U be2 R11 ) R8 R10 R11 I c2 I b 2 , I e 2 (1 ) I b 2； U ce2 V cc I c 2 R 9 I e 2 (R 10 R 11 ) 可算出Ube2 为 6V。图中的电容C2， C4， C6 均为滤波电容，画出微变等效电路， 图 4-2微变等效电路 U o R4 (R9 // R L ) A r be1 R5 ? R10 所以电容C9 和 C10的作用就提高放大倍数， U i r be2 ，如果电路接入 RL，则放大倍数会减小。
Multisim仿真： 仿真图： 图 4-3两级放大nultisim仿真 图 4-4 5mV 1kHz函数发生器图4-5交流电流表 图 4-6 Ic1电流值图4-7 Uce1电压值
图 4-8 Ic2电流值图4-9Uce2电压值 图 4-10无负载的输出电压Uo图4-11有负载的输出电压Uo 无负载的放大倍数：328 倍有负载的放大倍数：197 倍
1.1 运放的典型设计和应用 1.1.1 运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。 1) 运放在有源滤波中的应用 图5.2 有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 2) 运放在电压比较器中的应用
图5.3 电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。 3) 恒流源电路的设计 如图所示，恒流原理分析过程如下： U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故V4 V1=; 由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A （上图中上边的运放）有： V5 V3=； 而 () 421 2020 V4-Vref V5V R R R ++? =； ()019 1819 0-V2 V3++?=R R R ; 有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=- 当参考电压Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6Ωk ,电流恒定输出0.5mA 。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
基本运算放大器电路设计
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武汉理工大学 开放性实验报告 （A类） 项目名称：基本运算放大器电路设计实验室名称：创新实验室 学生姓名：**
创新实验项目报告书 实验名称基本运算放大器电路设计日期2018.1.14 姓名** 专业电子信息工程 一、实验目的（详细指明输入输出） 1、采用LM324集成运放完成反相放大器与加法器设计 2、电源为单5V供电，输入输出阻抗均为50Ω，测试负载为50Ω输出误差 不大于5% 3、输入正弦信号峰峰值V1≤50mV,V2=1V，输出为-10V1+V2. 二、实验原理（详细写出理论计算、理论电路分析过程）(不超过1页) 通过使用LM324来设计反相放大器和加法器，因为每一个芯片内都有4个运放，所以我们就是使用其内部的运放来连接成运算放大器电路。 我们采用两个芯片串联的方式进行芯片的级联。对于反相放大器，输出电压Vo=-Rf/R1*Vi；对于同相加法器，Vo=(Rf/R1*Vi1+Rf/R2*Vi2)。 由于对该运放使用单电源5V供电，故需要对整个电路的共地端进行 2.5V 的直流偏置。为实现2.5V的共地端，在这里采用了电压跟随器的运放模型。2.5V 的分压点用两个相同100k的电阻进行分压，并根据经验选取了一个10uF的极性电容并联在2.5V分压点处，起滤除电源噪声的作用。最终由电压跟随器输出端作为后面电路的共地端。同样为使反相放大器能够放大10倍，有-Rf/R1=-10,即Rf=10R1,可取R1=10kΩ，Rf=100kΩ，则R2=R1//Rf。对于加法器，有R1=R2=Rf,均取为100kΩ，则R=100kΩ。
902测试技术及应用 一、考试范围说明 该门课程的研究生入学考试范围参考其本科生课程的教学大纲，面向专业学位研究生选拔的需要，考核内容主要包括： 1.测试基础理论和技术知识：主要包括机械测试信号分析，测量装置的基本特性，以及常见测量装置--参数式传感器、发电式传感器、信号调理电路、信号显示与记录等技术知识； 2.测试系统设计及实用测试技术：主要包括测试系统设计理论和方法，计算机测试技术与典型应用系统，其他特种测试技术与典型应用系统； 3.典型工程测试系统设计实例分析：主要包括机械工程领域典型机械参数，如应力应变、温度、位移、振动和噪声的测试系统设计，以及它们的工程网络化和智能化设计等。 与本科生课程学习考评相比，没有平时考核和实验考核环节，但闭卷笔考的知识内容和方式方法原则上是一致的，以上述内容所涉及的知识点为考核对象，具有填空题、判断题、问答题和测试系统设计题等多种考题形式。 二、考试范围说明 通过讲授测试技术的基础知识、常用测量装置的工作原理与性能，以及测试系统的设计，培养学生掌握本学科领域内常见测试系统的组成与设计，以及常见机械工程参数测量技术；为学生学习后续专业课程以及将来实际工作打下良好的基础。 本课程主要为学生讲授：a）测试基础理论和技术知识，主要包括机械测试信号分析、测量装置的基本特性、参数式传感器、发电式传感器、信号的调理等；b）测试系统设计及实用测试技术，主要包括测试系统设计、计算机测试系统、其他测试技术以及典型测试系统设计实例。同时开设：信号分析与测量装置特性仿真、传感器及其性能标定、动态测量信号调理、测试技术虚拟仪器设计等4个基本实验，以及涵盖测试系统设计、搭建、信号采集与处理分析等4个考核环节的测试技术大综合实验。
CMOS两级运放设计与仿真 本设计采用Tanner软件中的S-Edit组件设计CMOS两级运放原理图，并使用T-Spice 组件对其电路生成的Spice文件进行设定仿真，以便进一步掌握Tanner软件的使用方法。 操作流程如下：编辑两级运放的原理图->生成Spice文件->进行模拟仿真->查看结果。 一、两级运放的原理图 两级CMOS运放的基本结构如图一所示。该电路的第一级为差分放大器，由V1~V4组成。第二级由V5、V6组成，其中V5为该级的放大管，V6为负载管，输出为高阻型。恒流源由V7、V8、V9组成。Cc为相位补偿电容，以防止电路产生自激。 图一两级CMOS运放 本设计采用1.25um工艺，取最小尺寸，即管子长L=2*1.25=2.5um，并要求电压增益大于等于5000，单位增益带宽等于3MHz，压摆率为2，补偿电容为5pF管子开启电压为1V，直流电源电压为5V，差分电源电压为3V，高频正弦小信号，NMOS和PMOS的沟道调制系数分别为0.01和0.015。各个管子的宽长比如下表所示。 表格 1 两级运放放大器设计参数 二、编辑运放原理图 1）打开S-Edit组件，在其中调入PMOS模块（*4）、NMOS模块（*5）、直流电源模块（*3）、正弦电压源模块（*1）、电容模块（*1）和GND模块（*1）。最后将各个模块按图一所示放置好，并连线。 2）按照上述参数要求修改PMOS和NMOS的参数，以及正弦信号、电源电压的参数。
3）加入输出接点：单击工具栏中的输出接点按钮，再单击电容右端节点，在弹出的对话框中输入节点名“OUT”，再单击ＯＫ即可。如图二所示。 图二加入输出接点 按照上述要求和操作后的两级CMOS运放电路图如图三所示。 图三运放原理图 ４）重命名模块为“两级运放”，生成Spice文件，并在其中插入命令：单击命令工具条中的T-Spice按钮，自动生成Spice文件，并自动打开Ｔ－Spice组件程序。在Spice文件中插入包含文件“ｍ12_125.md”，和以下命令行：.include "D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"，.tran/op 1n 400n method=bdf，.print tran v(N42) v(OUT)。最后将此文件重命名为“两级运放_0.01V”，以区分其他的仿真。仿真后的结果如图四所示。
1、 CMOS analog circuit design by P.E.ALLEN 评定：理论性90 实用性70 编写 100 精彩内容：运放的设计流程、比较器、 开关电容 这本书在国内非常流行，中文版也 翻译的很好，是很多人的入门教材。 建议大家读影印版，因为ic 领域 的绝大部分文献是以英文写成的。 如果你只能读中文版，你的学习资料 将非常有限。笔者对这本书的评价 并不高，认为该书理论有余，实用性 不足，在内容的安排上也有不妥的地 方，比如没有安排专门的章节讲述反 馈，在小信号的计算方面也没有巧方法。本书最精彩的部分应该就是运放的设计流程了。这是领域里非常重要的问题，像Allen 教授这样将设计流程一步一步表述出来在其他书里是没有的。这正体现了Allen 教授的治学风格：苛求理论的完整性系统性。但是，作为一项工程技术，最关键的是要解决问题，是能够拿出一套实用的经济的保险的方案。所以，读者会发现，看完最后一章关于ADC/DAC 的内容，似乎是面面俱到，几种结构的ADC 都提到了，但是当读者想要根据需求选择并设计一种ADC/DAC 时，却无从下手。书中关于比较器的内容也很精彩，也体现了Allen 教授求全的风格。不过，正好其它教科书里对比较器的系统讲述较少，该书正好弥补了这一缺陷。Allen 教授是开关电容电路和滤波器电路的专家。书中的相关章节很适合作为开关电容电路的入门教材。该书的排版、图表等书籍编写方面的工作也做的很好。像Allen 这样的理论派教授不管在那所大学里，大概都会很快的获得晋升吧。另外，Allen 教授的学生Rincon Moca 教授写的关于LDO 的书非常详尽，值得一读。 2、 CMOS Circuit Design Layout and Simulation CMOS Mixed-Signal Circuit Design by R.J.Baker 评定：理论性80 实用性100 编写80 精彩内容：数据转换器的建模和测量、hspice 网表这本书的风格和Allen 的书刚好相反： 理论的系统性不强，但是极为实用，甚至给出 大量的电路仿真网表和hspice 仿真图线。 这本书的中文版翻译的也很好。最近出了第二 版，翻译人员换了，不知道翻译的水平如何。 不过，第二版好贵啊~~ Baker 教授在工业界 的实战经验丰富，曾经参加过多年的军方项目 的研发，接收器，锁相环，数据转换器，DRAM 等曾设计过。所以，书中的内容几乎了包含 了数字、模拟的所有重要电路，Baker 教授
课程设计说明书 题目：压电加速度测试系统设计 课程：工程测试技术 院、系：机电工程学院 学科专业：机械设计制造及其自动化 学生：李崧伟，刘嘉豪 学号： 14020111109，14020111111 指导教师：齐忠霞 2016 年 6 月15号
工程测试技术课程设计任务书 （2015—2016学年第 2 学期） 指导教师齐忠霞 2016 年 6 月15 日
目录 1.简介 2.测试方案设计 3.测试系统组成 3.1压电加速度传感器 3.1.1组成 3.1.2工作原理 3.1.3灵敏度 3.1.4加速度传感器的选用3.2电荷放大器 3.2.1测试电路图 3.2.2数据计算处理 3.3动态信号分析仪 4.实验测试流程 5.说明总结 6.参考文献
压电加速度测试系统设计 1.简介 现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。 压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽，结构简单，成本低，性能稳定等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 所以在此设计了一种压电式加速度测试系统，能够满足测试0—3G的低频率加速度测试。 2.测试方案设计 系统组成：压电加速度传感器、电荷放大器、动态信号分析仪 被测对象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换成电压信号并放大，通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的采集。最后在PC端对实验数据进行处理并显示。 如下图所示 3.测试系统组成 3.1压电加速度传感器