運(yùn)算放大器的常見種類和仿真

Word運(yùn)算放大器的常見種類和仿真

（運(yùn)算放大器）作為常見的（模擬）電路模塊，設(shè)計(jì)好運(yùn)算放大器對于模擬（電路設(shè)計(jì)）入門具有很好的幫助，學(xué)好運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)和不同參數(shù)如靜態(tài)工作點(diǎn)、?。ㄐ盘枺┰鲆鍳（ai）n,相位裕度PM、輸入阻抗Rin、輸出阻抗Rout、環(huán)路增益loopgain和環(huán)路PM、共模抑制比CMRR、噪聲Noise、（電源）抑制比PSRR、大信號壓擺率SR、瞬態(tài)（仿真）tran、穩(wěn)定性零極點(diǎn)分布仿真PZ、輸入輸出電壓范圍….等參數(shù)的仿真設(shè)置和仿真對于運(yùn)放的學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)作用，本篇主要總結(jié)運(yùn)算放大器相關(guān)的仿真設(shè)置和在仿真過程中的總結(jié)。

運(yùn)放的常見種類

差分輸入單端輸出的運(yùn)放

圖1差分輸入單端輸出運(yùn)放

圖1便是常見的兩級差分輸入單端輸出的兩級運(yùn)放，第一級采用（電流）鏡作為負(fù)載將輸入

電壓轉(zhuǎn)換為電流后又通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換為電壓給輸出級進(jìn)行提供靜態(tài)工作點(diǎn)和傳遞小信號電壓，第二級首先將小信號電壓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電流后，后又在輸出高阻態(tài)下重新轉(zhuǎn)換為電壓信號；該種結(jié)構(gòu)的重要優(yōu)點(diǎn)就是輸出級采用class-AB的輸出方式具有較寬的電壓輸出范圍，一般把輸出電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在電源電壓的一半也是為了保證輸出電平具有較寬的范圍，此種運(yùn)放在穩(wěn)定性方面為了提高相位裕度PM常常在第一級與第二級放置極點(diǎn)分離（電容），分離第一級與輸出端的極端距離實(shí)現(xiàn)較高的PM，或者在第一級與第二級間放置電阻與電容串聯(lián)的LHP零點(diǎn)用來補(bǔ)償極點(diǎn)實(shí)現(xiàn)較高的PM。

差分輸入差分輸出運(yùn)算放大器

圖2差分輸入差分輸出兩級運(yùn)算放大（電路原理）圖圖2是常見的PMOS輸入的差分輸入差分輸出的兩級運(yùn)算放大電路的原理圖，其中第一級采用恒流源作為負(fù)載，第二級采用class-AB輸出結(jié)構(gòu)為了提高輸出電壓范圍,與圖1差分輸入單端輸出結(jié)構(gòu)相比，圖2電路增加了共模負(fù)反饋電路CMFB用于抑制兩個(gè)支路共（模電）平的穩(wěn)定和一致性，具體原因可以參考拉扎維、艾倫、格雷教授的模擬CMOS（集成電路）書中對這部分有具體的講解；CMFB電路對輸出電壓進(jìn)行采集并將輸出結(jié)果負(fù)反饋給第一級電流源作為靜態(tài)偏置用于調(diào)節(jié)第一級和第二級兩個(gè)支路電平的穩(wěn)定。差分輸入差分輸出電路在實(shí)際系統(tǒng)中采用較多，主要是因?yàn)榕c圖1電路相比其輸入不僅可以對共模信號進(jìn)行抑制，在輸出級也可以抑制共模電平，將會(huì)增加系統(tǒng)的整體性能。

運(yùn)算放大器穩(wěn)定性

在我們一開始學(xué)習(xí)運(yùn)算放電路的時(shí)候，我們常常會(huì)拿到圖1和圖2運(yùn)放電路圖仿真其小信號特性中的幅頻特性和相頻特性，判斷電路的穩(wěn)定性；然而實(shí)際情況下，圖1和圖2為開環(huán)的運(yùn)算（放大器）電路并不存在穩(wěn)定性問題，那我們?yōu)槭裁催€要仿真并計(jì)算出電路的增益Gain和PM（相位裕度）？這部分主要回答這個(gè)問題，在回答這個(gè)問題前，我想說下運(yùn)放的實(shí)際使用過程中我們大部分都是讓其工作在負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)，這主要是因?yàn)槠胀ǖ倪\(yùn)算放大器具有較高的小信號開環(huán)增益，其實(shí)際在固定的電壓下具有較小的線性工作范圍，如果超出其輸入范圍輸出的電壓不是高電壓就是低電壓，因此實(shí)際使用過程中均是使用運(yùn)算放大器結(jié)合不同的輸入和輸出反饋類型形成閉環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的運(yùn)算電路如加，減，乘除等這便是利用增益換取精度帶來的結(jié)果，這也擴(kuò)大的放大器的使用范圍，讓其成為模擬電路最重要的模擬單元模塊。接下來便會(huì)介紹負(fù)反饋系統(tǒng)以及運(yùn)算放大器在負(fù)反饋系統(tǒng)中的穩(wěn)定性相關(guān)問題。

負(fù)反饋系統(tǒng)

圖3常見的負(fù)反饋系統(tǒng)框圖圖3為常見的負(fù)反饋系統(tǒng)框圖，主要包括首先輸入信號經(jīng)過H(s)單元進(jìn)行放大，然后經(jīng)過反饋單元G(s)進(jìn)行一定程度衰減后與輸入進(jìn)行相減再進(jìn)一步放大，通過負(fù)反饋的作用，輸出信號最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值上，而不是放大到電源電平電壓或者地電平，圖3中系統(tǒng)的傳輸函數(shù)如下：

根據(jù)Barkhausen’s判據(jù)如果系統(tǒng)傳輸函數(shù)中G(s)H(s)=-1整個(gè)傳輸函數(shù)將會(huì)趨于∞系統(tǒng)將會(huì)處于不穩(wěn)定系統(tǒng)，該判據(jù)具體產(chǎn)生不穩(wěn)定表達(dá)如下：

即如果在一個(gè)頻率上G(s)H(s)相位發(fā)生了180度移動(dòng)，并且如果此時(shí)系統(tǒng)的G(s)H(s)的幅度為1整個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象，因此為了避免上述情況的產(chǎn)生我們常常是的在G(s)H(s)增益為1的時(shí)候觀察此時(shí)相位與180度相位差定義為PM，如果此時(shí)PM大于零可以認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在實(shí)際使用過程中考慮PM較低將會(huì)對輸出信號上升時(shí)間、過沖等問題帶來較大的影響，我們常常在設(shè)計(jì)過程中使得

PM>45

度作為我們負(fù)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在實(shí)際的運(yùn)算放大器負(fù)反饋系統(tǒng)的過程中我們常常定義H(s)為運(yùn)放的開環(huán)增益用Aopenloop代替，G(s)作為反饋電路電源常常使用?代替，G(s)H(s)我們常常成為環(huán)路增益loopGain，整個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的傳輸函數(shù)稱為系統(tǒng)的閉環(huán)增益Acloseloop,接下來將會(huì)介紹在運(yùn)算放大器電路中開環(huán)增益、環(huán)路增益、開環(huán)增益所代表的具體含義和區(qū)別。

開環(huán)增益、環(huán)路增益、閉環(huán)增益

首先我要介紹下上述三種增益在負(fù)反饋運(yùn)放電路中實(shí)際所指，開環(huán)增益顧名思義就是開環(huán)放大器如圖1，2電路中運(yùn)放的小信號增益，此時(shí)僅僅代表運(yùn)放的本身增益特性，高增益運(yùn)放電路具有較高的性能常常應(yīng)用于儀表等高精密儀器系統(tǒng)中，如何提高運(yùn)算放大器開環(huán)增益有不同的電路結(jié)構(gòu)和方法可以參考拉扎維書中的增益改善方案；環(huán)路增益是反饋電路單元與放大器開環(huán)增益的乘積，由于反饋單元的反饋系數(shù)?通常小于1因此環(huán)路增益一般小于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益，環(huán)路增益根據(jù)我們對上一部分負(fù)反饋系統(tǒng)描述可以知道主要用來判斷運(yùn)算放大器組成的負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通?？喘h(huán)路增益的PM是否滿足要求進(jìn)一步判定系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此在仿真過程中需要得到環(huán)路增益的小信號幅頻特性和相頻特性曲線是我們判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要依據(jù)；閉環(huán)增益對于我們實(shí)際使用過程來說它是實(shí)際我們所獲得的運(yùn)放組成的負(fù)反饋系統(tǒng)的實(shí)際增益，因此組成不同的反饋電路結(jié)構(gòu)我們可以獲得不同的運(yùn)算電路和放大倍數(shù)電路，通過觀察閉環(huán)增益的傳輸函數(shù)(結(jié)合負(fù)反饋系統(tǒng)中的傳輸函數(shù))我們可以發(fā)現(xiàn)如果放大器的開環(huán)增益如果遠(yuǎn)大于1，整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)增益是反饋單元反饋系數(shù)的倒數(shù)，這也是我們犧牲放大器高增益換取系統(tǒng)高精度放大倍數(shù)的目的。接下來我們就要回答上面一開始提到的為什么我們學(xué)習(xí)運(yùn)放電路會(huì)直接仿真開環(huán)運(yùn)放的PM而不是直接仿真閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)下的運(yùn)放的PM來判定系統(tǒng)穩(wěn)定下，難道只要開環(huán)運(yùn)放PM滿足大于45度要求，閉環(huán)狀態(tài)下該系統(tǒng)的環(huán)路增益的PM也一定會(huì)大于45度？帶著這個(gè)問題我們來看下下面這幅圖4：

圖4環(huán)路增益、開環(huán)增益、閉環(huán)增益與相位裕度關(guān)系

觀察圖4(a)我們可以發(fā)現(xiàn)其為環(huán)路增益幅頻特性曲線，其中三個(gè)曲線的反饋系

數(shù)關(guān)系如下

我們可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)(增益為1)分別是藍(lán)色曲線>綠色曲線>紅色曲線，結(jié)合圖4(c)可以看出PM3>PM2>PM1,我們可以得出結(jié)論反饋系數(shù)越大，相位裕度PM越小。如果我們仔細(xì)看圖4(1)藍(lán)色曲線我們可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)環(huán)路增益就是我們運(yùn)放電路的開環(huán)增益，一般反饋單元的反饋系數(shù)均是小于1因此我們直接看運(yùn)放電路開環(huán)的相位裕度PM是該運(yùn)放最差的PM，如果連運(yùn)放在開環(huán)狀態(tài)下PM都滿足大于45度，那我們就可以說該運(yùn)放組成的負(fù)反饋系統(tǒng)(反饋系數(shù)小于1)的PM一定滿足大于45讀的穩(wěn)定性要求這也就是為什么我們一開始學(xué)習(xí)時(shí)開環(huán)放大器不存在穩(wěn)定性問題，還要仿真開環(huán)放大器的相位裕度PM大于45度的原因？這里還有一個(gè)問題就是，我們穩(wěn)定目標(biāo)只要負(fù)反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益PM大于45度，而我們因?yàn)殚_環(huán)運(yùn)放的PM已經(jīng)大于45度，其組成的負(fù)反饋系統(tǒng)的相位裕度一定大于45度是否會(huì)造成相位裕度的浪費(fèi)，這一點(diǎn)我想說的是，對于初學(xué)者我們可以不關(guān)注這些浪費(fèi)，我們只要了解上述三種增益的關(guān)系以及如何判斷環(huán)路穩(wěn)定便達(dá)到學(xué)習(xí)要求；對于實(shí)際公司和設(shè)計(jì)使用中，這種裕度浪費(fèi)帶來的是電流的增加帶來功耗的浪費(fèi)，我們都知道目前降低電路功耗成為延長電池壽命的重要目標(biāo)，也是我們電路設(shè)計(jì)永恒的（話題）。因此在公司和產(chǎn)品的角度我們一般是對固定反饋系數(shù)的運(yùn)放，實(shí)際上我們可以回歸巴克豪森判據(jù)的本質(zhì)，去得到屬于該反饋系數(shù)的環(huán)路增益響應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線，在閉環(huán)的角度仿真電路使其滿足PM大于45度的穩(wěn)定性要求。在判定穩(wěn)定性方面（工業(yè)）界還有一種閉合速率角度快速判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，原理圖下通過觀察運(yùn)放電路的開環(huán)增益和反饋系數(shù)的幅頻特性曲線交點(diǎn)，此時(shí)二者斜率之差的絕對值與20dB大小關(guān)系，如果二者之差等于20dB可以判定此時(shí)相位裕度的大小45度

運(yùn)算放大器各種指標(biāo)的仿真

本部分主要介紹運(yùn)算放大器電路所涉及到的不同指標(biāo)仿真方法，具體包括靜態(tài)工作點(diǎn)、小信號增益和相位曲線、CMRR、PSRR、Noise、輸入輸出阻抗、環(huán)路增益和閉環(huán)增益等指標(biāo)仿真。

靜態(tài)工作點(diǎn)Q

我們都知道所有電路建立合理的工作點(diǎn)是所有其他指標(biāo)設(shè)計(jì)的第一步，因此設(shè)置合理的靜態(tài)工作點(diǎn)使得運(yùn)算放大器內(nèi)部的管子工作在合適的region是我們設(shè)計(jì)電路最重要的步驟，這可以采用（仿真器）中的（dc）進(jìn)行仿真，并通過標(biāo)注管子的節(jié)點(diǎn)電壓和靜態(tài)參數(shù)判定是否滿足要求。

小信號AC仿真

圖5圖1電路的運(yùn)放測試原理圖小信號電路在仿真過程中主要可以仿真信號的幅頻特性和相頻特性曲線直接讀出電路的開環(huán)增益和PM數(shù)值及單位增益頻率大小。在配置上對于輸入VIP和VIN中vdc直流電源首先需要設(shè)置共模電平(本電路為600mV)以及在VIP上vdc設(shè)定AC幅度大小為0.5V，VIN的vdc上AC幅度設(shè)定為-0.5V這是為了保證差分小信號輸入大小為0dB,此時(shí)輸出端電壓大小就是整個(gè)運(yùn)放的開環(huán)增益所進(jìn)行一種設(shè)定。

電源抑制比PSRR

電源抑制比PSRR作為對于運(yùn)放對于電源噪聲和干擾的一種抑制特征指標(biāo)常常也作為（電路仿真）之一，主要包括正電源抑制比+PSRR和-PSRR，對于+PSRR仿真方法如下，此時(shí)圖5中VIN和VIP中的vdc僅保存直流電壓600mV作為共模電平，AC幅度大小為0；此時(shí)在VDDA的vdc的AC幅度大小為1，此時(shí)得到輸出VOUT的AC仿真幅頻特性曲線就是+PSRR，對于-PSRR在GNDA上進(jìn)行上述操作并保證VDDA上AC幅度大小為零即可。

共模抑制比CMRR

共模抑制比反映的是電路對于差分信號的抑制作用，一般是差模信號增益除以共模信號增益，第2部分我們通過設(shè)定AC小信號仿真得出的就是運(yùn)放電路的差分信號增益；此時(shí)只需要將圖5電路中VIP和VIN電路中的vdc的共模電平設(shè)定為600mV和AC模大小都為1代表VIP和VIN完全相同，此時(shí)小信號ac仿真得出的就是共模信號增益；此時(shí)一般我們都是選擇dB單位進(jìn)行繪制相應(yīng)曲線，只要將二者曲線相減便可以得到CMRR大小。

PZ、Noise、tran仿真

此部分不做過多敘述，只要配置好（AD）E仿真器便可以完成結(jié)果仿真，重點(diǎn)講一下負(fù)反饋電路中(如經(jīng)典負(fù)反饋系統(tǒng)（LDO）中)PZ仿真需要把反饋回路打開才能得到正確零極點(diǎn)信息，否則結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常如有半平面極點(diǎn)(系統(tǒng)不穩(wěn)定)，Noise仿真可以打印出不同管子對于噪聲的貢獻(xiàn)，可以精確進(jìn)行調(diào)整(增大管子寬長比)以降低管子對噪聲的貢獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)低噪聲運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)。

閉環(huán)增益

圖6閉環(huán)負(fù)反饋運(yùn)放電路閉環(huán)增益作為負(fù)反饋運(yùn)放電路的實(shí)際增益大小，我們需要得到期具體數(shù)值大小，在仿真中我們需要主要如下：此時(shí)VIN上只有共模電平600mV，VIP的vdc上共模電平為600mV,AC幅度大小為1通過仿真ADE中ac仿真可以得出運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)增益大小，對于差分輸入和差分輸出負(fù)反饋運(yùn)放電路來說，此時(shí)VIP和VIN共模電平均是600mV，AC幅度大小分別是0.5和-0.5V此時(shí)得到差分輸出大小為該系統(tǒng)的閉環(huán)增益，圖5中需要注意的是為啥VIN位置不是GNDA，我們在學(xué)習(xí)模電過程中記得此時(shí)應(yīng)該是地，特別是在源極跟隨器負(fù)反饋電路也沒有對輸入進(jìn)行加共模電平，這一點(diǎn)是我們的誤區(qū)，所有負(fù)反饋電路都需要保證輸入管處于正常打開狀態(tài)，至于源極跟隨器輸入管的偏置是來自輸出的靜態(tài)電平因此不需要在加入偏置，這一點(diǎn)要牢記否則電路閉環(huán)增益得不出正確的結(jié)果。

環(huán)路增益

圖6差分輸入單端輸出閉環(huán)負(fù)反饋運(yùn)放電路關(guān)于環(huán)路增益的仿真方面此時(shí)要分差分輸入單端輸出和差分輸入差分輸出兩種情況來進(jìn)一步說明，如圖6所示作為第一種差分輸入單端輸出閉環(huán)負(fù)反饋運(yùn)放電路環(huán)路增益所有配置與6中仿真閉環(huán)增益VIP和VIN配置相似，僅從模擬庫增加一個(gè)iprobe模塊進(jìn)行stb仿真即可，此時(shí)便可以得出環(huán)路增益大小和環(huán)路相位裕度大小判定閉環(huán)負(fù)反饋電路的穩(wěn)定性。

圖7差分輸入差分輸出閉環(huán)負(fù)反饋電路

第二種對于圖7所示的差分輸入差分輸出閉環(huán)負(fù)反饋電路來說，通過從模擬庫添加CMDM(-1差分環(huán)路增益，1代表共模環(huán)路增益)也可以添加diffstbprobe進(jìn)行stb仿真得出圖7所示電路的環(huán)路增益和PM判定系統(tǒng)穩(wěn)定性，其中需要注意的是輸入必須加上共模電平使得輸入管正確打開工作。

圖8兩級運(yùn)放STB分析

圖9兩級運(yùn)放STB分析

圖8和圖9中CMDM放置不同位置可以得到不同的環(huán)路響應(yīng)，其中圖8中CMDM1只能測量第一級共模環(huán)路響應(yīng)，CMDM2可以得到整個(gè)第一級和第二級級聯(lián)負(fù)反饋系統(tǒng)的差分環(huán)路響應(yīng)和第二級共模環(huán)路響應(yīng)。圖9中CMDM1和CMDM2分別僅測量第一級和第二級共模環(huán)路穩(wěn)定性，CMDM3可以得到整個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的差分環(huán)路穩(wěn)定性，一般有時(shí)候如圖9中單級的共模環(huán)路穩(wěn)定性也可以在CMFB1和CMFB2輸出加上iprobe進(jìn)行STB仿真測量。開關(guān)電容CMFB電路穩(wěn)定性分析未在本部分列出。

閉環(huán)輸入輸出阻抗大小

關(guān)于仿真輸入和輸出阻抗大小的方法很多，本篇主要介紹一種利用小信號xf方法進(jìn)行電路仿真方法，利用原理是添加一個(gè)idc電流源將AC幅度設(shè)定為1此時(shí)測量輸出端電壓即是此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)輸出端的阻抗大小(單位電流測電壓)，其中圖11為XF仿真器設(shè)置，閉環(huán)輸入阻抗大小把輸出電流idc放置在VIP即可，此時(shí)注意VIP需要斷開,如果此時(shí)VIP沒有斷開此時(shí)小信號電源相當(dāng)于地短路此時(shí)idc被短路無法測出輸入阻抗大小，VIN的共模電平為600mV，AC幅度大小為0。(若計(jì)算輸入和輸出跨導(dǎo)用vdc其中AC=1替換圖10中的idc)

圖10閉環(huán)放大器電路輸出阻抗仿真原理圖

圖11XF閉環(huán)放大器電路輸出阻抗仿真器設(shè)置