一级运放性能指标仿真Word文件下载.docx

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（2）、闪烁噪声

丄噪声。

f

（3）、散弹噪声

载流子之间碰撞所产生的噪声。

9、功耗

P二U11

一般要求的指标是指功率：

Ps=UI

*增益线性度：

在整个输入信号范围内，增益的变化率

10、共模抑制比CMRR（CommonModeRejectRatio）

acm^m，即差模增益Adm与共模到差模的转换系数Acm』m比，它表示了差动放大器中对共模扰动影响的抑制能力。

（只适用于全差动放大器）。

求值方法有两种：

（1）、通过公式分别求出差模增益Adm差模增益Acm_dm从

而得出；

（2）、将电路接成单位增益负反馈结构后，小信号分析，然后列出方程求解。

11、电源抑制比PSRR（PowerSupplyRejectionRatio）

是指电压源和输出电压的交流小信号为0,而不是直流电平）。

求值方法:

（1）、通过公式，特殊情况是，当差分信号为0时Add=1，则PR二Av|Vdd=0；

（2）、当电路接成单位增益负反馈结构后，根据小信号电路列方程求解。

12、失调Voffset（Vos）（5~10mV）。

当小信号输入为0时，输出偏移工作点的幅度与差模增益之比一一输入失调（无法通过仿真得到）

13、相位裕度（PhaseMarginPM在给定负载下，增益下降为1时，相位变化的剩余量。

PM=vAv（wi）-（-180j=<

Av（w1）+180。

概念图如图11.1（有超链接）*非线性失真：

期间的非线性特性和非线性的变化引起（无法通过仿真得到）

二、现在对各个指标进行仿真

1、仿真前的准备，设计规则如下：

、SMIC:

0.35mixsignal:

2P3M电源：

vdd=3.3v

、设计指标：

a、增益Av_50dB

b、输出端节点对地总电容：

Cl=5pF

c、带宽：

GB为00MHz

d、输出摆幅：

A/ppout1.8v

e功耗：

Psz10mW

、在0.35工艺下各器件数据：

Vth/V

tox/nm

u

uCox/（uA/V2）

PMOS

0.6247

8.08

up=12.8

54.6

NMOS

0.4215

794

Un=40.5

175.9

2、六种电路图如下：

（1）、P管为二极管连接，如图1

（2）、电流源连接，如图2

（3）、电流镜负载，如图3

（4）、套筒式单端输出，如图4

（5）、套筒式双端输出，如图5

（6）、折叠式双端输出，如图6

图1

1ZB+m

』厂7

lid=

A.^R1bt-«

r

itf--1.2B*rn

L2B+m-却卿7m•¥

d-B=<

T0„i^rni

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竹-*

欄y：

朋M3>

^p=-47D.2dn

-764.-*m

l^dfe*-1ZB9-'

hL2^4<

m

|3-=£

i2BIfti材1

jfr-23tL+m

■d—Z.SWmMH理a勺圏

VtiiaBZIJBnip7

如图5

MB

Vbl

f-9iu

Vb4M7

'

SHT

VbS.「铤

1功耗

对于一个一级运算放大器，首先要满足的指标是电路的功耗，要求的功率

ps<

10mW，又Ps=U*l，在0.35工艺中U=Vdd=3.3V,可算得：

lss=l兰3.03mA，这在开始设置尾电流源（栅极加有电压源的MOS管）各参数（管子宽长比，偏

置电压大小）时是十分重要的。

2、增益

接下来是调节各管子饱和，首先要估算各层管子分得的电压（详情见LZW

书p246例9.5），然后算出偏置电压，通过公式：

Id=1uCoxW（Vgs-Vth）2计算

2L

出各层管子的大概宽长比，通过公式：

Id=*uCox¥

（Vgs-Vth）2（1Vds）可以看到Vds与W/L成反比，可通过减小W/L来提高Vds，然后就可以仿真看到增益曲线，通常上述工作做好了，增益能达到要求，若还有差距，则可通过以下公式提

1

高该结构增益:

A/=Gm•Routgmr^2uCoxWId1L

VLaId

图1.0

下面介绍一下各种电压增益:

1、

（1）、开环增益：

即为普通的电压增益:

Vout

（2）、闭环增益:

如下图：

简单的反谎电賂

图1.1

闭环增益与开环增益之间的关系为：

其中A成为环路增益，（注意其与开环增益A的区别）仿真时，将输出端与输入端（右输入端）短接，中间加上小信号电压源，设定好参数后，得到的增益只有10多dB，且增益随着小信号的增大而增大。

（1）、差模增益：

根据LZW书p91式（4.11）Av=Gm・RD=JrCox¥

lssRd

（2）、共模增益：

图1.2

图1.3

Rd

由图可知其共模增益为：

代CM二"

V0UL

Vin,CM

2gm

我用的图4的电路进行仿真，该电路共模增益仿真电路的连接方式如下图1.5:

仿真结果得到的增益比差模的小6.02dB（因为差动增益20log2A-20logA=

（20log2+20logA）-20logA=20log26.0205dB）。

下面介绍一些仿真的过程跟结果。

下面我们在不改变其他参数的情况下，将图4单端输出接成双端输出后如图1.6（有超链接），在对电路进行仿真，得到的带宽减小了（由501.7Hz降低到344.4Hz）,如图1.7（有超链接）可知。

这说明了单端输出能达到比双端输出

更大的带宽。

下面通过对图4进行仿真，可以得到其幅频特性曲线，步骤如下：

电路仿真结束后，在sim-Tools中点击ResultsBrowser按钮，在弹出的窗口中双击ac-ac文件夹，打开这个文件夹后，会出现该电路的仿真结果，包括所有节点的电压和流过选中端口的电流。

其中可以对仿真结果取幅值：

Mag按钮。

（该下拉菜单各函数功能如下：

Phase计算仿真结果的幅角；

WPhase：

幅角，归一到0~360内显示;

图1.5

Rea：

取仿真结果实部;

Imag:

取仿真结果虚部;

dB10：

对仿真结果进行“10log（n）”计算

dB20:

对仿真结果进行“20log（n）”计算）

单击输出端Vout后，点击右键，选择第一项Append便会弹出其幅频特性曲线,如图1.8

的结果也是相同的。

图1.6

通过sim-Tools中的ResultsBrowser也可以得到上面图1.0一样的增益曲线，方法是在点击ResultsBrowser后，弹出的窗口中，点击了ac-ac文件夹后，将下拉菜单Mag—项中改选成dB20,在选中输出端单击右键，点击Append,这样得到的曲线跟图1.0一模一样。

图1・7

图1.8

用以上两种方法还可以得到电路的相频特性曲线，两种方法得到的结果也是相同的。

将图4接成双端后，带宽会减小。

ACReiponse

3、带宽

下面的工作就是增加带宽以达到要求。

路是减小与输出端相关的晶体管电容（因为输出端接地电容Cl为固定值5pF,

所以不能改变），即只需减小输出各电容两极板的面积即可，于是需要减小输出各管子的长和宽，在此要注意的是，由于增益已经设定好，不便于改变其宽长比，所以减少时需同时成倍减小W跟L,不能太大的改变其宽长比W/L。

因为增益

带宽积：

Gain*BW=Av*①保持不变，所以要增大带宽，就会减小增益，所以调试增益的时候一定要留有一定余量，二者寻找一种折衷。

一般改变输出级P管的

W/L,对带宽影响较大，但减小W/L带宽虽然增加了，看增益会有所下降，不过不会太大，只要前面调节增益时留有一些余量，下降一点是没有问题的。

还

有个方法是增加Iss，即增大尾电流源的W/L，只需稍微增加W或减小L，电流Iss的变化就十分明显，从而也可以较容易增大带宽，也可改变其栅端电源电压来增大Iss，此时还有个好处是伴随着Av的增加。

下面依然以套筒式单端输出电路图4为例，调制好的带宽如前增益曲线图1.0，显示带宽为501.7MHz（即单位增益带宽），达到了指标500MHz。

通过图1.0我们还可以看到该放大器的3dB带宽（也就是51.37dB-3dB=48.37dB所对应到频率）为1.385MHz，比较小。

我们还可以通过Calculator，用计算机进行计算可到这两种带宽的值。

具体方法如下：

（1）、3dB带宽

首先将仿真结果导入到“Calculator”中，步骤是：

点击sim-Tools中的ResultsBrowser，在弹出的窗口中的ac-ac文件中的输出端，点击鼠标右键，选择最后一项“Calculator”，这样便把仿真结果导入到了“Calculator”中。

下面便是在

“Calculator”中计算其带宽，带宽的计算比较简单，无需其它设置，直接在函数窗口中找到bandwidth（这里默认就是计算3dB带宽，所以不需其它设置），单击bandwidth后，点击“OK”或者“Apply”然后点“Calculator"

中的“Eval”键，这样在缓存窗口中将会显示出运算放大器的3dB带宽。

我所得到的值为

w=1.45、1.38MFz（大多是情况下，“Calculator"

缓存窗口中得到的值都比曲线中算得的值略大一些，所以这是正常情况）

（2）、单位增益带宽

将仿真结果导入到“Calculator"

中步骤同上，接下来，点击ac中的vf项，

点击across函数（该函数式专用来计算曲线经过一个特定阈值的横坐标）后：

第一栏signal方框中改成“mag（VF（/Vout”））”，而不是从电路中获得的交流仿真将结果“VF（/Vout”）”。

这是因为运放输出端电压仿真结果使用复数表示的，里面包含增益的幅频特性信息，也包含增益的相频特性。

而across函

数只能处理实数，所以要先使用mag函数得到增益的幅值。

ThresholdValue是阈值，设为1.

EdgeNumber中填的是穿越特定形式波形边沿的次数。

由于计算的是运放增益第一次为1的频率，所以设为1。

EdgeType下拉菜单中选择下降沿falling（运放增益在单位增益带宽附近时

随着频率增加而下降的）。

最后点击0K或者Apply,然后点击Eval键，缓存窗口中就会显示器单位增益带宽。

我所得到的值为GBW=516.9MHz（如前面所说，略大于仿真曲线中的得到的值501.7MHz）。

4、下面接着计算摆幅。

在一级运算放大器中当上面四个参数达到要求后，摆幅一般都和服要求。

根

据公式：

单端输出摆幅：

Vdd-任VoDn+Vcss*为VoDp）双端输出摆幅：

2[VDD-（送VoDn"

css+送VoDp）]若摆幅稍小了点，可以改变各管子W/L来减小

管子两端过驱动电压，来增大其摆幅，注意微量调节，找指标有过剩的量，如增益超出50很多，则可以暂时牺牲点增益来增加摆幅，不过要注意其他量是否超出要求。

从以下仿真结果中我们可以看到该电路：

Vod7=Vgs7-VTH7=1100mV-727.9mV=327mV

Vod5=Vgs5-VTH5=956.6mV-691.4mV=274.2mV

Vod3=Vgs3-VTH3=599.7mV-541.5mV=58.3mV

Vod1=Vgs1-VTH1=628.1mV-546.2mV==182mV

Vcss=Vod9=Vgs9-VTH9=960mV-516.8mV

这样可以得到该电路（双端输出）摆幅为2[VDD-CVODn+Vcss+I；

VODp）]

=2[VDD-（VOD1+VOD3+Vcss+|VOD5|+|VOD7|）]=2[3.3-1.054]=4.492V»

1.8V

所以，一般增益带宽各指标达到要求后，摆幅是够用的，至少在一级运放中

是这样

图4.1

5、然后计算放大器输入范围。

（1）、首先计算共模输入范围，我们来看第二种结构，根据LZW书p89公式（4.1）的计算方法，计算该放大器共模输入范围的方法如下：

又M5管子饱和：

Vgs-Vth岂VDS=VpVth_Vb1

in,CMmin

VX二VDD-VDS3_Vin,CM-VTHn

VDS3_Vb2-VTHp

根据M1饱和：

.VDD-（Vb2-VTHp）_VDD-VDS3一Vin,CM-VTHn

Vin,CMWDD-Vb2VTHpVTHn

厂+Vb1兰Vin,CM—VDD一Vb2*VTHp*VTHn

另一种计算方法是，由输入向地看，为是M1和M3管子饱和，输入范围最小值为Vgs1-（VgS5-Vth5）,所以更简单的结果是共模输入范围为：

VGS1（VGS5%5）-VinCM兰VDD—WgS3—VTH3）+VTH

由图1.3根据仿真结果得：

VGS1+（VGS5-VGS5）=819.4+（1200-708）=1311.4mV,而因为

M1:

W=2*88uM，L=2uM，贝UW/L=88，Vb1=960mV,ISS=ld=1.868mA，所以

得到:

由此看到，这两种方法算下来的最小共模输入范围基本相同，下面计算最大值：

VDD-（VGS3-VTH3）+VTH1=3300-（1200-708）+459.2=3267.2mV

所以该电路的共模输入范围为：

1311mV~3267mV

（2）、再计算差模输入范围

在忽略亚阈值导电的情况下，当丄Vin超过某一限定值时，所有的ISS电流就

会流经一边的晶体管，而列一个晶体管截止。

用Wn1表示这一限定值，由于M2

p91式（4.12））,所以差模输入范围为：

-AVin1nEAVin1

（当：

Vin二Vin1—Vin2：

：

一.Mn1时M1管处于截止状态；

当Vin..：

Vin1时M2管截止）

将电路图改成差模后，继续用上面的参数可以算得

所以该电路的差模输入范围为-491.1mV~491.1mV

在调节下面的指标时，前提是上面各个指标已经达到了要求，管子要饱和，增益尽量有一些余量，带宽够宽，摆幅足够大，接下来就可以进行下面的工作。

由于有的指标对于不同结构仿真方法都是一样的，所以就只以其中一种结构为例加以说明。

6、压摆率

压摆率的概念开始已经介绍，下面主要看怎么实现仿真，现在用pMOS管以

二极管连接方式的电路如图1来进行仿真，指标压摆率仿真的电路连接方法如下图6.1所示，将单端输出的电路连接成单位增益负反馈形式（输出端与又输入端短接），并驱动一个5pF的电容Cl，并在左输入端的大信号1.24V直流电平的基础上加上一个小信号0.12V（大概为大信号的0.1倍），这样便可以开对其进行仿真，得到转换速率。

下面看一下两种常用途径得到结果。

（这里粗略的看一下仿

真的结果，后面再详细介绍下仿真步骤。

）

（1）、由仿真曲线在线性区取两个合适的点计算可得：

32.91V/uS。

1.344V-1.318V

10.85nS-10.06nS

42.49V/uS>

32.9V/uS

（2）、而通过Calculator计算得到的值为:

但是由于我在要求的几个电路结构进行仿真的时得到的曲线始终有一个阶跃然后才开始呈一定斜率变化，问题一直没解决。

所以我就按照《模拟集成电路设计与仿真》P111图5-68的电路进行仿真，它的原型如图6.2,这本书的工艺库与我们的0.35工艺库是不一样的，所以参数都需要自己设计，从新寻找最佳增益、带宽、摆幅,,指标，然后再将该图连接成如图6.3的结构对其进行压摆的

仿真。

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2■甘廿

图6.1

这样仿真的结果终于能与理论相符，其结果如图6.4,由曲线。

下面具体的介绍一下仿真过程：

首先将电路图接成图6.4的形式，其中大信号电压设为1.8V，小信号阶跃电压设计较复杂一些，参数如下：

ACmagnitude:

0V

Voltage1:

0V（小信号阶跃信号低电平）

Voltage2:

0.18V（小信号阶跃信号高电平）

Delaytime:

10ns（延迟时间）

Risetime:

10ps（上升沿）

Falltime:

10ps（下降沿）

Pulsewidth:

1s（脉宽）

之前要调制好增益、带宽等不说。

点击仿真后，有一下两种方法能得到摆率的值：

（1）、点击ResultsDirectPlotTTransientSignal得到曲线如图6.4后，

1.861V-1.811V0208V/S

由曲线的线性区的两个点算得其斜率为：

sr1=307话乔齐S

（2）、下面通过Calculator对压摆率进行计算，步骤是：

根据前面讲述的方法，将输出端仿真结果导入Calculator中，然后选中tran下的vt，再点击函数窗口中的SlewRate函数，在SlewRate函数的设置窗口中：

Signal:

VT（Vout”）

InitialValueType（初始值的类型）：

（1）xaty:

根据输入的横坐标获得对应的电压值作为初始值。

（2）y:

直接输入初始值的大小。

选择xaty

InitialValue:

初始值大小。

选xaty则输入横坐标；

选y则输入初始值大小。

填10n。

FinalValueType:

结束值类型。

根据输入的横坐标获得对应的电压值作为结束值。

（2）y：

直接输入输入结束值大小。

选择xaty。

FinalValue:

结束值大小。

填790n。

Percentlow和PercentHigh:

表示容差范围（我们的软件上没有这一项，系统默认了一定容差范围）。

然后点击OK或者Apply完成设置，最后点击Eval键，缓存窗口中便会显示该放大器转换速率。

我的仿真结果是：

SR2=0.18V/us<

SR1跟前面的结果情形一样，都是SR1更大）。

图6.2

n

v-2:

742

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—1,5'

图6.3

图6.4

由上面的曲线图可以看出，输出电压“V°

ut”在跳变后的一段时间内并没有按指数规律变化，而是表现出具有不变斜率的线性斜率。

这就是负反馈电路中使用的运放表现出的所谓“转换”（slewing）的大信号特性。

该斜坡还表现出与

输入无关的斜率的特性，如果输入增加1倍，输出的所有点上的电平并不增加1倍。

而且决定转换率的事运放尾I跟负载C大小。

不信，可以仿真试试，验证一下。

7、建立时间

建立时间的仿真需要电路连成负反馈单位阶跃响应的结构，如下图7.1所示，小信号电压源的设置于压摆率仿真中的设置类似，只是阶跃高电平为1.24mV

（为大信号的1/1000）,

图7.1

注意：

如果想缩短系统的ST,则可以增加负反馈的3dB带宽

■-~\'

ja.ji^nhshiji™nTi

8输入、输出阻抗

输入、输出阻抗的测试图图8.1和图8.2需要注意在测试时，要保证电路的静态工作点不发生变化，所以我们在输入输出端口上可以加适当的直流偏置。

如

在测试输入阻抗时，可以在输出端加一电压为零的信号源，这样方便测试；

在测试输出阻抗时，在输出端添加一与原输出大小相同的电压源和一个交流小信号源，然后进行测试。

（1）、输入阻抗是指运放在小信号工作状态下，输出端短路时，运放的输出电

流ht与输入电压的

Vin的比值。

所以有:

lout

Vin

图&

（2）、输出阻抗是指运放在小信号工作状态下，输入信号置零时，在运放的输出端添加一测试信号Vx，测试输入信号电流Ix的大小，测试信号与电流的比值就是输出阻抗Rout。

有：

这里在测试时会出现一定误差，其误差来源于在作电路的直流偏置，原电路的输入输出没有完全的相等，所以添加大小相同的输入输出信号源时，会产生误差；

其他误差可能来源于电路的的噪声以及衬偏效应的影响。

9、共模抑制比

电路图如图所示:

R4*

口

9-

图

可以分别计算其差模增益跟共模增益，从而算得其CMRR,

aRdgmigm24g

migm2RSS

2--gm

ADM|=2

2■-■gm

CMRR-gm1gm24gm1gm2RSS所以：

:

皿（12gmRss）

=-gm

10、电源抑制比

图10.1

由以上电路仿真可以得到该放大器的PSRR倒数的频