Практическая работа № 3. Схемотехническое проектирование операционных усилителей

Цель работы: приобретение навыков схемотехнического моделирования операционного усилителя в среде САПР Cadence

Домашнее задание и методические указания по его выполнению

Для современных интегральных ОУ характерны две структуры: трехкаскадная и двухкаскадная.

Трехкаскадная структура (рис. 3.25, а) включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель напряжения (УН), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП).

Рис. 3.25. Структура типового ОУ: а) трехкаскадная модель ОУ;

б) двухкаскадная модел ОУ

Первый каскад ОУ - дифференциальный с эмиттерной связью и резисторной нагрузкой, необходимой для уменьшения дрейфа нуля, подавления синфазной помехи, увеличения входного сопротивления и усиления входного дифференциального сигнала.

Второй каскад - усилитель напряжения, обеспечивает основное усиление входного дифференциального сигнала по напряжению, строится также по дифференциальной схеме и включает специальную схему сдвига потенциала.

В третьем каскаде – усилителе амплитуды – обычно совмещаются схемы усиления сигнала, схемы сдвига уровня и формирования выходного двухполярного неискаженного сигнала. Как правило, все схемы ОУ заканчиваются эмиттерными повторителями (ЭП), которые определяют нагрузочную способность ОУ и не участвуют в формировании его коэффициента усиления.

Двухкаскадная модель ОУ (рис. 3.25, б) включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП). В этой модели первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального УН, а также схемы сдвига уровня.

В остальном каскады УА и ЭП не отличаются от одноименной трехкаскадной модели.

На рис. 3.26 приведена упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ.

Рис. 3.26. Упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ

Дифференциальный каскад ОУ выполнен на транзисторах Т1..Т4. Транзисторы Т1, Т2 образуют дифференциальный усилитель, а транзисторы Т3, Т4 - его динамическую нагрузку. Выходным сигналом дифференциального каскада является 2i1 - ток, который поступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах Т5, Т6 и корректирующее емкость Cк . Выходным сигналом интегратора тока является напряжение U1, равное напряжению на конденсаторе Cк .

Повторитель напряжения выполнен на транзисторах Т7, Т8 по схеме с эмиттерной нагрузкой. При отсутствии обратной связи тангенс угла наклона характеристик в диапазоне − Uвх макс … +Uвх макс равен коэффициенту усиления К0. Максимальное напряжение Uвых макс близко к напряжению источников питания ± Еп. В реальных ОУ наблюдается разбаланс, который устраняется подачей на вход ОУ внешнего напряжения смещения нуля ±Uсм.

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ для малого сигнала

Операционные усилители, имеющие трехкаскадную структуру (рис. 3.27, а) для малого сигнала обладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ, снятые в режиме малого сигнала, имеют вид, изображенный на рис. 3.27.

Плавные кривые линии - реальные характеристики, ломаные прямые – их аппроксимации. Наиболее распространенной является аппроксимация частотной характеристики отрезками прямых, наклон которых соответствует n·20дБ/декаду, а фазовой - участками, фазовый сдвиг на которых равен n·(2 /π) , где n = 0,1,2,... (так называемые диаграммы Боде).

Диаграммы Боде соответствуют внутренней структуре частотной и фазовой характеристик многокаскадного ОУ, которые складываются из характеристик отдельных каскадов

(3.1)

Рис. 3.27. Малосигнальные характеристики трехкаскадного ОУ:

а) амплитудно-частотная характеристика; б) фазово-частотная характеристика

Характеристики отдельных каскадов близки к характеристикам эквива-лентной RC-цепи:

(3.2)

где f _вi = 1/2 π*τi - верхняя граничная частота i-го каскада,

τi - постоянная времени эквивалентной RC-цепи i-го каскада.

Таким образом, частоты излома характеристик ОУ соответствуют (примерно) граничным частотам отдельных каскадов. Погрешность аппроксимации не превышает обычно 3 дБ для частотной и π/4 для фазовой характеристики, что часто достаточно для практических целей пользования ОУ. Следует иметь в виду, что если граничные частоты отдельных каскадов близки друг к другу, то реальные характеристики не показывают в явном виде изломы, соответствующие аппроксимации по Боде.

Параметры амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик:

f_в − верхняя граничная частота ОУ с разомкнутой обратной связью, измеренная в режиме малого сигнала. Ее величина определяется частотной характеристикой самого инерционного каскада ОУ и, в свою очередь, определяет ход переходной характеристики ОУ;

f₁ − частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице;

f_π − частота, на которой внутренний фазовый сдвиг в ОУ достигает величины π радиан (180°). При применении ОУ с внешней частотно-независимой отрицательной обратной связью именно на этой частоте возникает самовозбуждение.

Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что АЧХ обладает только двумя полюсами и имеет только две частоты излома f _в1 и f _в2.

В целях обеспечения устойчивости ОУ вводится коррекция АЧХ. В трехкаскадном ОУ используются две RC – цепи, подключаемые к УН и УА, которые создают дополнительную задержку по фазе высокочастотного сигнала до π и тем самым обеспечивают устойчивую работу усилителя. Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что для коррекции его АЧХ в целях обеспечения устойчивости при ООС необходима лишь одна емкость Cк. На рис. 3.28 приведена упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ с учетом коррекции АЧХ.

Рис. 3.28. Упрощенная структурная схема двухкаскадного ОУ с коррекцией АЧХ (К1, К2, К3 – коэффициенты усиления ДУ, УА, ЭП соответственно)

Полагая, что АЧХ ОУ будет определять в основном второй каскад, практически выполняющий операцию интегрирования, АЧХ имеет вид

KΣ(ω) = K1 ∙ K2 ∙ K3 = K1 ∙ K2 /(1+ω∙TK), (3.3)

где K1 - коэффициент усиления ДУ,

K2 - коэффициент усиления УА в области средней частоты,

K3 = 1 - коэффициент усиления ЭП,

TK = СK ∙R - постоянная времени.

Таким образом, малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ принимает вид, изображенный на рис. 3.29, отображает закон уменьшения коэффициента усиления KΣ с изменением частоты f и имеет две особые точки: граничную частоту fв и частоту единичного усиления f1 .

Рис. 3.29. Малосигнальная АЧХ двухкаскадного ОУ

Быстродействующие широкополосные операционные усилители

Быстродействующие широкополосные операционные усилители используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным параметрам уступают ОУ общего применения. К сожалению, для них не нормируется время восстановления после перегрузки.

Их основные параметры: скорость нарастания VU вых max ≥ 30 В/мкс; время установления tуст ≤ 1 мкс; частота единичного усиления f1 ≥ 10 МГц.

Практические задания и методические указания по их выполнению

Согласно данным варианта лабораторного задания выполнить схемотехническое проектирование и моделирование схемы ОУ.

Разработка электрической схемы операционного усилителя

Разработка электрической принципиальной схемы является самым сложным этапом проектирования операционного усилителя по субмикронной КМОП технологии, т.к. необходимо получить конкретные значения параметров, заданных на проектирование. Также это обуславливается сложностью расчетов токов и напряжений во всех цепях и узлах ОУ. Эта задача упрощается при использовании средств моделирования. При этом нет необходимости проводить расчеты вручную, расчеты проводятся на ЭВМ, что позволяет сильно сократить этап разработки электрической схемы.

Для работы операционного усилителя требуется ток смещения или напряжение смещения, подаваемое на входной каскад. Для этого строится схема источника опорного тока. Для быстродействующего операционного усилителя выбирается опорный ток 10 мкА. Схема источника опорного тока со схемой запуска представлена на рис. 3.30.

Источники опорного тока и источники опорного напряжения являются базовыми структурными единицами любой аналоговой микросхемы. От их стабильности зависит стабильность всех параметров микросхемы, а иногда и их полная функциональная пригодность.

Рис. 3.30. Электрическая схема источника опорного тока

Источник тока, представленный на рис. 3.30, имеет дополнительное устойчивое состояние, при котором выходной ток равен нулю. Для вывода источника тока из этого устойчивого состояния используется специальная система запуска. Схема запуска гарантирует отличное от нуля состояние источника тока. Схема запуска – это дополнительная цепь тока, которая выводит источник из нулевого состояния.

Данный ток может течь непрерывно или только тогда, когда цепь приближается к нулевому состоянию.

Последний режим предпочтителен по двум причинам:

- схема потребляет меньше мощности после вхождения в режим генерации тока;

- пусковой ток после вхождения в режим перестает влиять на выходной ток генератора.

Схема источника опорного тока и схема самого операционного усилителя выполняются в единой общей схеме.

Дифференциальный усилительный каскад

Одной из широко используемых в микросхемах и усилителях постоянного тока конфигураций является схемное построение типа дифференциальный усилительный каскад (ДК) или усилитель раз­ности. Остановимся на общих свойствах дифференциального ка­скада и связанных с ним основных понятиях и определениях.

Дифференциальный усилитель - это усилитель с двумя вхо­дами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку. Дифференциальный усилитель, у которого указанные условия выполняются, называется идеальным дифференциальным усилителем.

Дифференциальный каскад, выполненный по субмикронной технологии и применяемый в современных ИМС, имеет ряд существенных особенностей.

Во-первых, сохранение стабильности параметров электрических цепей требует использования в схемотехнике только активных компонентов с близким значением ТКС.

Во-вторых, низкое напряжение питания требует использования транзисторов с низким напряжением насыщения (U_нас  1 В) и ограничивает их число при каскадном включении.

В-третьих, современные ОУ в своем составе имеют один (реже два) источник стабильного тока, который посредством токовых зеркал с различными коэффициентами отражения питает все цепи, где требуется стабильный ток. Не исключением является и стоковая цепь дифференциального каскада.

В-четвертых, транзисторы каскада должны иметь большой запас по току, т. е. работать в режиме малых токов. Это позволит получить больший коэффициент усиления и минимум шумов, что является определяющим для входного каскада любого усилителя.

Роль нагрузки каскада, как правило, играет токовое зеркало, которое позволяет снять разность стоковых токов, а, следовательно, получить от каскада максимальный коэффициент усиления. При этом выходное напряжение образуется на наклонной выходной характеристике токового зеркала. Чем большее выходное сопротивление имеет токовое зеркало, тем больший коэффициент усиления удастся получить от дифференциального каскада.

Дифференциальный каскад ОУ представлен на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Схема дифференциального каскада ОУ

Проектирование электрической схемы ОУ в САПР Cadence

Схема строится на основе МОП-транзисторов в схемотехническом редакторе Composer-schematic. В схеме ОУ есть два входа: инвертирующий (INP) и неинвертирующий (INN). Размеры транзисторов выбираются таким образом, чтобы получить быстродействие ОУ. Быстродействие ОУ определяется малыми емкостями входных цепей транзисторов дифференциального каскада, граничной частотой транзисторов и высоким омическим сопротивлением. В связи с этим выбираются параметры МОП-транзисторов – длина и ширина канала. Длина каналов транзисторов дифференциального каскада берется равной 1.5 мкм, а ширина каналов – 100 мкм и 35 мкм. На дифференциальный каскад подается стабильный ток величиной 10 мкА от источника опорного тока. Транзисторы выходного каскада берутся с длиной канала такой же, как и в дифференциальном каскаде. На выход вешается внутренняя цепь коррекции, состоящая из конденсатора емкостью 4.5 пФ и резистора с сопротивлением 270 Ом. Она нужна для корректировки АЧХ и ФЧХ.

Полученная электрическая схема ОУ изображена на рис. 3.32.

На схеме подписаны все токи и напряжения, которые рассчитаны в результате моделирования электрической схемы в инструменте для моделирования Analog Environment.

Рис. 3.32. Электрическая схема быстродействующего операционного усилителя

Схемотехническое моделирование операционного усилителя

Цель моделирования электрической схемы заключается в проверке правильности настройки и балансировки ОУ, определении токов и напряжений в схеме, определении коэффициента усиления ОУ и получении амплитудно-частотной и фазо–частотной характеристик. При моделировании требуется получить частоту единичного усиления в интервале от 40 до 50 МГц.

Для моделирования в Analog Environment необходимо выбрать в меню Model Library модель транзисторов, конденсаторов, резисторов. Измерения проводились для трех типов моделей транзисторов PMOS4 и NMOS4, резисторов (rpoly0 и rpoly1) и конденсаторов(cpoly): tm – типовая модель, ws – технологический разброс по скорости, wp – технологический разброс по мощности. Температура для моделирования была выбрана типовая (27 ºС).

Для моделирования составлялась схема с источником постоянного напряжения 5 В и источником переменного напряжения 1 В. Схема для моделирования представлена на рис. 3.33.

Рис. 3.33. Схема для моделирования электрической схемы

В меню Choose выбирается анализ, который требуется провести. Это может быть AC анализ (по переменному току), DC анализ (по постоянному току), tran анализ (временной). Для измерений токов и напряжений в схеме использовался DC анализ, для построения АЧХ и ФЧХ использовался AC анализ. На схеме выбирается источник питания, относительно которого будут проводиться измерения. Для измерения коэффициента усиления ОУ использовался источник переменного тока

При температуре 85 ºС был получен коэффициент усиления К = 21035.

При температуре 27 ºС был получен коэффициент усиления К = 27000.

Проведя дальнейшее моделирование, получены АЧХ и ФЧХ операционного усилителя. Они изображены на рис. 3.34.

Рис. 3.34. АЧХ и ФЧХ операционного усилителя

В результате моделирования были получены АЧХ и ФЧХ, из которых видно, что частота единичного усиления равна 42 МГц, запас по фазе составляет 70°. Эти параметры удовлетворяют техническому заданию. Следовательно, схема разработана верно. Дальнейшим этапом является разработка топологии.

Практические задания и методические указания по их выполнению:

1) Согласно данным табл. 3.3 провести схемотехническое проектирование ОУ.

2) Провести необходимые измерения и виды анализа схем и каскадов.

3) Сделать выводы, результаты представить преподавателю.

Таблица 3.3

Параметры операционного усилителя

Параметры ОУ	Техничское обозначение	Минмаль- ные значения	Типовые значения	Максималь-ные значения
1. Напряжение питания, В	VDDA	3	3.3	3.5
2. Потребляемый ток, мА	Idda	1.5	2	2.5
3. Сопротивление нагрузки, кОм	Rload		100
4. Емкость нагрузки, пФ	Cload		10
5. Коэффициент усиления, дБ	Av	80	82	85
6. Частота единичного усиления, МГц	F1	26.22	42.6	79.57
7. Запас по фазе, град	PM	50	55	60
8. Полоса пропускания, кГц	F	от 0.1 до 1.5	от 0.1 до 1.6	от 0.1 до 1.7
9. Напряжение смещения, мВ	Voc	0.85	1.2	1.55
10. Скорость нарастания выходного сигнала, В /мкс	SR	30.8	40.4	57.9
11. Время нарастания выходного сигнала, мкс	T	0.13	0.099	0.069
12. Амплитуда выходного сигнала, В	Output swing	от 0.00099 до 2.2	от 0.00167 до 2,5	от 0,0026 до 3,3
13. Амплитуда входного сигнала, В	Input swing	от 1.5 до 3	от 1.5 до 3	от 1.5 до 3
14. Рабочий интервал температур, °С	ΔТ	от -40 до 85	от -40 до 85	от -40 до 85