微电子基础学习笔记(13)

原创 加油射频工程师 2024-08-20 20:37

旧文重发

这次学习,算是二刷。一刷在两年前左右吧,当时也是做了笔记,发了文章。现在回过头去看那些笔记,觉得当时我也学的挺认真的,无奈忘记了

不过没关系,我再刷。

以下是当时一篇相应笔记的文章。

运放电路很奇妙,一个运放配上一个电容,一个电阻,一个积分器就完成了。


很兴奋,对不对?用Tina小软件仿一仿,调个理想运放模型,加上电阻,加上电容,点击运行,工作良好。

把理想运放,换成实际的运放模型。

哦噢,积分电路歇菜了,输出电压直接就到供电电压附近了。

这是为什么呢?


本质就是现实总是与理想有差距啊!!!


理想是,运放是完美的,运放的两个输入是完美对称的,但现实是,两个总是有点偏差。

这些差别,会导致运放具有直流偏移(DC offsets)。


如果运放是Bipolar运放,也就是说内部结构,是由双极管构成的,那其还会有Input Bias Current.

下面,就详细说说这两个指标。


DC offsets


理想情况下,Vout=A0(Vin1-Vin2),即当Vin1-Vin2=0时,Vout=0;

但实际情况下,该直线会向上或向下偏移,即当Vin1-Vin2=0是,Vout不为0.


也就是说,在实际情况下,为了使得Vout=0, Vin1-Vin2必须等于某一值Vos,称该值为失调电压(offset voltage)。


那直流偏移是怎么产生的呢?

这主要还是和制作过程相关。理想运放的同相输入和反相输入是完美对称的。但实际情况下,并非如此。

即使本意上想制造出两种一模一样的电路,实际制造出来也会有细微差别。所以实际的运放,两个输入电路不会完美对称,存在一定的失配。真是这一失配,造成了直流偏移。


那在运算过程中,怎么来给直流偏移建模呢?

offset voltage是随机的,不仅值是随机的,符号也是随机的。

手册上给出的offset voltage指标是典型值,也就是说,当测试很多很多运放样本时,大多数运放的offset voltage位于-Vos和Vos之间。

因为Vos是随机的,所以我们可以把代表Vos值的电压源放置在同相输入端,也可以放置在反相输入端。


直流偏移对实际电路的影响

同相放大器

从上图中,可以看出,同相放大器会把输入信号和Vos同步放大。如果电路中的DC也包含有用信号,比如说需要测量直流电压的值,这个Vos指标,就会影响最终的测试结果。


反相放大器

同样,反相放大器也会对Vos进行放大,进而影响直流的测试结果。


积分放大器

这边先假设Vin=0,单独考虑一下Vos对积分放大器的影响。

可以看到,当t=0时,即刚开始的时候,Vout=Vos,这是因为刚开始时,电容没有电荷,所以电容两端就没有电压差,因此Vout=Vos。

随着时间的增加,Vout也线性增加,直到到达运放能输出的最大电压为止。

所以,如果不对理想积分器做处理的话,一个offset voltage就会把积分放大器搞的不能正常工作。也就是说,积分器会对Vos进行积分,最终达到饱和状态,无法对正常输入信号进行积分。


那怎么办呢?

其实在C1端并联一个电阻就可以了。那这个电阻起什么作用呢?

在理想积分放大器中,通过R1的电流无处可去,所以只能对C1充电,导致Vout越来越大。但是在C1两端并联一个电阻后,电流就可以从该电阻上通过,这样C1就不会被持续充电 ,导致Vout不断增大。

虽然,上述的并联电阻能够阻止积分放大器由于Vos而进入饱和状态,但是也导致该积分器对输入信号频率有限制,太低了就只反相放大,没有积分的作用了。

虽然频率范围变窄了,但是总好于啥都不能积分。


Input Bias Currents

在双极管构成的运放中,输入偏置电流会比较大;但在MOS管构成的运放中,则极小,基本可以不考虑。

因为双极管有也需要有一定大小的基极电流,所以如果使用的是双极管运放的话,需要给其输入端提供一定的基极电流,要不然运放就没法正常工作。


那怎么对这些输入偏置电流建模呢?

用两个电流源来模拟输入偏置电流。


输入偏置电流对实际电路的影响

同相放大器

由上图可知,由于输入偏置电流的影响,Vout会产生一个直流偏移,即IB2*R2.

如果在同相输入端,串联一个R1和R2的并联电路,并假设IB1=IB2,会发现直流偏移变为0了。


积分放大器

所以积分放大器,如果不做任何处理的话,DC offset和Input Bias currents都会使运放进入饱和状态。


今日正文


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每个分指标的计算后面,都跟着一个仿真验证。所有指标都分配完了以后,还会有一个整体链路的仿真。

整体链路仿真,还分单音时候的验证+调制信号的验证;ADS仿完,再用SystemVue走一遍。

这些仿真步骤,该采用什么模板,各个参数该怎么设置,该用什么等价标准来判断,都是我花了很长时间探索,才联通起来的。

我觉得大概率是全网独一份,因为这些都是我结合软件自带的help文件和模板,再结合项目,一点一点探索出来的,有很多自己的想法在里面。

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