运放设计原理.docx

1、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

2、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

3、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

4、/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)

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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