4.3.3. 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 и шириной 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. 4.8.
Рис. 4.8. Электрическая схема быстродействующего операционного усилителя
На схеме подписаны все токи и напряжения, которые рассчитаны в результате моделирования электрической схемы в инструменте для моделирования Analog Environment.
4.3.4. 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. 4.9.
Рис. 4.9. 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. 4.10.
Рис. 4.10. 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.