Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

Курсовая работа

по дисциплине "Основы проектирования электронно-компонентной базы"

Исследование характеристик ОУ

Игнатьева Л.А.

Санкт-Петербург 2019

Аннотации

Данная курсовая работа посвящена разработке операционного усилителя исходя из основных изначально заданных параметров (kусил>105, fгр> 100kHz, Д?> 30?). Для начала была построена схема в программе LTSpice, затем за счёт изменения геометрических параметров транзисторов получаем необходимые значения коэффициента усиления, граничной частоты и запаса по фазе. Далее были проделаны различные измерения на полученной схеме усилителя для его подробного изучения. Затем, учитывая полученные габариты, была построена топология операционного усилителя в программе Glade. усилитель операционный программа

Summary

This course work is devoted to the development of an operational amplifier based on the basic initially specified parameters (Ku>105, fbound> 100kHz, Д?> 30?). To begin with, a circuit was built in the LTSpice program, then, due to changes in the geometrical parameters of the transistors, we obtain the necessary values of the gain, cutoff frequency, and phase margin. Next, various measurements were made on the resulting amplifier circuit for its detailed study. Then, taking into account the obtained dimensions, the topology of the operational amplifier was built in the Glade program.

Содержание

Введение

1. Создание схемы

2. Операционный усилитель

2.1 Коэффициент усиления

2.2 Определение синфазных потерь

2.3 Значение логического "0" и "1"

3. Топология ОУ

3.1 Построение схемы в Glade

3.2 Проверка топологии на ошибки

Заключение

Список использованных источников

Введение

На сегодняшний день практически любое электронное устройство имеет в своем составе микросхему ОУ. Современная микроэлектронная технология позволяет создавать миниатюрные и надежные ОУ, экономичные по энергопотреблению и цене для разных диапазонов мощности, электрических напряжений и радиочастот.

Целью данной работы является схемотехническое конструирование операционного усилителя с получением параметров в соответствии с заданием. При создании схемы будет рассмотрено несколько ее частей: токовое зеркало, дифференциальная пара, проверка уровня рабочей точки (значения напряжений на выходе дифференциальной пары и выходного усилительного каскада должны совпасть). Далее на основе полученной схемы будет промоделирована топология в программе Glade.

1. Создание схемы

Токовое зеркало

При построении токового зеркала должно выполняться следующее условие: длина р-канального транзистора должна быть много больше длины n-канального транзистора, а их ширина должна быть одинакова (достигаем тока в 10мкА). Схема токового зеркала представлена на рис. 1.

В нашем случае условие выполнено при l(p)=0.5 мкм, w(p)=0.45 мкм, l(n)=0.9 мкм, w(n)=0.45 мкм.

Ток в нашем случае: Is(M1)=Is(M6)=2.00109·10-5A=20 мкА.

Рис. 1. Схема токового зеркала.

Теперь рассмотрим токовое зеркало совместно с транзистором М 2, схема приведена на рис. 2.



Рис. 2. Токовое зеркало с транзистором М 2.

Условие для данной схемы: ток через p-канальный транзистор должен быть около 40 мкА. Это условие выполняется при ??(??) = 0.45 мкм, ??(??) = 1 мкм. Ток при этом равен Is(M2)=39,9 мкА.

Дифференциальная пара

На данном этапе схема дополняется дифференциальной парой. Полученная схема представлена на рис. 3.



Рис. 3.Схема с дифференциальной парой.

Необходимое условие: ток через транзисторы должен быть около 20 мкА.

Ток, полученный, при данных размерах: ??(??4) = ??(??3) = 19,9 мкА.

При этом соблюдаем правила, что у n-канальных транзисторов подложка подключается к земле, а у p-канальных - к питанию.

Коэффициент усиления, полученный у данной части схемы: ??усил = 326.56528; Рабочая точка: ??раб = 1.6500058(В).

Рабочая точка

Чтобы схема нормально работала необходимо, чтобы рабочая точка на выходе дифференциальной пары и выходного каскада совпала. Для этого стоит собрать отдельно схему выходного каскада и подобрать геометрические параметры транзисторов.

Полученная схема выходного каскада представлена на рис. 4.



Рис. 4. Схема выходного каскада.

Таким образом, для достижения рабочей точки 1.6500058 В, параметры транзисторов должны иметь следующие значения: 5Y(5]) =6.1 мкм, 5d(5]) = 0.5 мкм, 5Y(n) = 1.55 мкм, 5n) = 0.7 мкм.

Усиление данной части схемы составляет 5усил =411.01352.

2. Операционный усилитель

2.1 Коэффициент усиления

Рис. 5. Схема ОУ.

Uпит = 3.3В, раб. точка =Uпит/2. Схема ОУ изображена на рисунке 5.

Определим 5Xусил

Рис. 6. Коэффициент усиления ОУ.

Исходя из полученного графика- 5усил=134223.



Рис. 7. АЧХ-сплошная линия и ФЧХ-штриховая линия.

АЧХ и ФЧХ

С помощью курсора мы определили запас по фазе, который равен почти 60?, при этом частота, которую мы достигаем равна fгр=897.99 МГц.

2.2 Определение синфазных потерь

Для определения синфазных потерь добавим к источникам V2 и V3 дополнительные источники и теперь подадим на оба входа синусоидальный сигнал частотой 1кГц и амплитудой 1мВ.

Схема для проведения данных измерений представлена на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость выходного напряжения от подаваемого сигнала.

Входное 5Hвх = 1 мВ - так как задали такую амплитуду синусоидального сигнала, выходное 5вых = ДU/2=3 мВ (определили из графика по размаху).

Произведем расчет коэффициента ослабления: kосл = Uвых/Uвх=3/1 = 3. Так как данный коэффициент больше 1, получили, что у нас происходит усиление синфазных помех. Определяем kсинф: kсинф = 134223 / 3 = 44740. Чем больше данный коэффициент, тем эффективнее подавляются помехи.

2.3 Значение логического "0" и "1"

Оставляем дополнительный источник у V2, подаем сигнал амплитудой 1мВ, частотой 1кГц. Схема представлена на рис. 9, график-на рис. 10.

Рис. 9. Схема для логического "0" и "1".

Рис. 10. Зависимость выходного напряжения от подаваемого сигнала (подаем только на один вход).

Из графика находим, что: 5выхmax = 3.29 (В) 5выхmin = 32.46 мВ

Расчет тока потребления (RMS)

Для определения значения потребляемого тока, построим зависимость тока от времени. Используем схему на рис. 9, измерения будем делать с V1. Полученная характеристика приведена на рис. 11.

Рис. 11. Временная характеристика для ИП.

Исходя из графика: Iпотр=61.17 мкА.

Зависимость kусил и fгр от напряжения питания

Изменяем значение напряжения питания на 2.7 и определяем значение коэффициента усиления и граничной частоты. Полученная АЧХ приведена на рис. 12, передаточная-на рис. 13.

Рис. 12. АЧХ при питании 2.7 В.

Из графика: fгр=281.7 МГц.

Рис. 13. Передаточная характеристика при питании 2.7 В.

Исходя из графика: kусил=207015.

Теперь подаем питание 3.6 В. АЧХ приведена на рис. 14, передаточная на рис.15.

Рис. 14. АЧХ при питании 3.6 В.

Исходя из графика: fгр=992.18 МГц.



Рис. 15. Передаточная при питании 3.6 В.

Исходя из графика: kусил=114318.

Зависимость kусил и fгр от температуры

Теперь рассмотрим влияние температуры на значение коэффициента усиления и граничной частоты. Для начала выставим температуру -40?С, питание вернем на 3.3 В.

Полученная АЧХ приведена на рис. 16, передаточная характеристика на рис. 17.

Рис. 16. АЧХ при питании 3.3 В и Т=-40?С.

Исходя из графика: fгр=952.56 МГц.

Рис. 17. Передаточная характеристика при питании 3.3 В и Т=-40?С.

Исходя из графика: kусил=146823.

Теперь выставим температуру Т=185?С. АЧХ приведена на рис. 18, передаточная характеристика на рис. 19.

Рис. 18. АЧХ при питании 3.3 В и Т=185?С.

Исходя из графика: fгр=676.67 МГц.



Рис. 19. Передаточная характеристика при питании 3.3 В и Т=185?С.

Исходя из графика: kусил=105324.

3. Топология ОУ

3.1 Построение схемы в Glade

В программе "Glade" была построена схема ОУ с учетом размеров транзисторов, подобранных нами ранее-рис. 20.

Рис. 20. Схема ОУ в программе Glade.

Для проверки схемы была выполнена команда "Check CellView". Ошибок не было обнаружено (см. рис. 21).

Рис. 21. Выполнение проверки схемы.

Топология ОУ

Теперь на основе приведенной ранее схемы ОУ построим топологию.

При построении топологии следует руководствоваться тем, что транзисторы n-типа должны быть помещены в защитный слой p-guard, транзисторы p -типа-в n-guard, но также покрыты слоем nwell.

Полученная топология представлена на рис. 22.

Рис. 22. Топология для ОУ.

3.2 Проверка топологии на ошибки

Для проверки топологии на ошибки воспользуемся командой "Run DRC". Полученный результат приведен на рис. 23.

Рис. 23. Проверка топологии на ошибки с помощью команды "Run DRC".

Устранить данные ошибки в работе не получилось, но они не влияют на работоспособность.

Экстракция и LVS

Далее была выполнена экстракция и проверка на соответствие топологии начальной схеме.

Полученная экстракция и LVS представлены на рис. 24.



Рис. 24. Экстракция и LVS для топологии ОУ.

Заключение

В данной работе был смоделирован операционный усилитель исходя из заданных начальных условий. В программе LTSpice была разработана схема, представленная на рис. 1. Для достижения нужного значения коэффициента усиления были проварьированы геометрические параметры транзисторов. Все полученные значения также представлены на рис.1 и в пункте 1. При питании 3.3 В мы получили 5усил=134223, fгр=897.99 МГц. Далее мы определили, что запас по фазе также удовлетворяет начальным условиям: Д??60?. Также мы определили коэффициент ослабления сигнала для характеризации синфазных потерь: kосл =3, что означает, что мы имеем усиление синфазных помех.

Далее мы исследовали влияние напряжения питания и температуры на значения 5усил и fгр(пп. 2.6. и 2.7.). При увеличении напряжения питания коэффициент усиления уменьшается, граничная частота, наоборот, увеличивается. При увеличении значения температуры значения коэффициента усиления и граничной частоты будут снижаться.

После построения схемы ОУ мы конструировали топологию в программе Glade. Для начала была собрана схема ОУ, приведенная на рис.20, для нее была выполнена проверка (рис.21), которая не выявила ошибок. Полученная топология представлена на рис. 22. Проверка топологии с помощью команды "Run DRC" выявила две ошибки (рис. 23), но данные ошибки несущественны для работы данной схемы. Затем мы выполнили экстракцию для полученной топологии и проверку на соответствие топологии изначальной схеме. Полученный результат представлен на рис. 24. Мы убедились, что схема и топология соответствуют друг другу.

Список использованных источников

1. Baker R. J. CMOS: circuit design, layout, and simulation. - Wiley-IEEE press, 2019.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М. : Мир, 1998.

3. Дорохин М.В. Изучение операционного усилителя и схем на его основе с использованием виртуальных приборов.

Размещено на Allbest.ru

...