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spice运放
Spice设计与实践
题目:
二级运放的设计与仿真
姓名:
谢思怀
学号:
111200627
学院:
物理与信息工程学院
专业:
微电子学
年级:
2012级
组员:
指导教师:
(签名)
2014年11月15日
目录
Spice设计与实践评分表----------------------------------------------------------------------3
一.实验原理与任务要求----------------------------------------------------------------------4
1.1电路结构---------------------------------------------------------------------------------4
1.2设计指标及工艺参数--------------------------------------------------------4
1.3实验任务要求--------------------------------------------------------------5
二.电路设计指标分析------------------------------------------------------------5
2.1直流增益,输入阻抗,输出阻抗----------------------------------------------5
2.2带宽、相位裕度和增益带宽积--------------------------------------------------6
2.3电源抑制比----------------------------------------------------------------7
2.4压摆率-------------------------------------------------------------------7
2.5输入,输出动态范围-----------------------------------------------------8
三.电路参数计算---------------------------------------------------------------9
3.1相位补偿设计----------------------------------------------------------------9
3.2电流分配---------------------------------------------------------------------------------9
3.3过驱动电压设计--------------------------------------------------------------------------9
3.4宽长比设计------------------------------------------------------------------------------10
3.5运放部分性能参数计算------------------------------------------------------------------11
四.spice仿真及结果分析-------------------------------------------------------12
4.1直流工作点和静态功耗----------------------------------------------------13
4.2直流增益、带宽、相位裕度、增益带宽积---------------------------------------14
4.3传递函数、输入阻抗、输出阻抗-----------------------------------------------15
4.4共模抑制比------------------------------------------------------------------16
4.5电源抑制比--------------------------------------------------------------17
4.6噪声---------------------------------------------------------------------19
4.7压摆率---------------------------------------------------------------------20
4.8输出动态范围--------------------------------------------------------------21
4.9失真分析,对输出进行FFT分析,得到总谐波失真量---------------------------22
五.仿真结果与计算结果对比分析------------------------------------------------23
结论----------------------------------------------------------------------------24
参考文献-------------------------------------------------------------------------25
Spice设计与实践评分表
姓名
谢思怀
设计组其他成员
设计题目
二级运放的设计与仿真
学号
111200627
出勤情况
迟到次早退次旷课次事假次病假次
项目
评分标准
得分
学习态度(20分)
熟知并遵守实验室的各项规章制度,有责任感,团队协作能力强。
(10分)
精益求精,善于学习与课程有关的新知识,提高学习能力。
(10分)
学习成果(50分)
完成平时练习。
(20分)
明确了解设计任务,掌握电路的工作原理。
(10分)
完成spice的设计。
(10分)
设计过程演示,问题答辩。
(10分)
学习报告(30分)
文本结构规范,格式统一。
行文表述规范准确,文理通顺流畅,打印或书写工整;标点、符号、计量单位正确;图表、曲线等符合国家标准或工程要求。
(10分)
理论分析与计算正确,实验数据准确可靠,结构严谨,逻辑性强,论述层次清晰。
(10分)
报告有独特见解,富有新意或有较深刻的分析,有较高的学术价值或较强的应用价值。
(10分)
总分
(100分)
总分:
100分。
优:
90-100分;良:
80-90分;中:
70-80分;及格:
60-70分;不及格:
0-60分。
导师
点评
导师签名:
备注
无故缺勤3次为不合格。
一.实验原理及任务要求
1.1电路结构
两级运放电路如图,包括提供静态偏置的电流镜和两级放大电路。
第一级为单端输出的差分镜像放大器,第二级则为电流源作负载的共源级放大器。
其中第二级放大电路加上了密勒补偿,以满足电路的稳定性能。
1.2设计指标及工艺
设计要求:
1.相位裕度达到61°
2.静态功耗小于1.2mW
3.放大器负载电容为2pF
4.供电电源为单端1.8V
5.电源抑制比,增益,压摆率满足基本要求。
本运放采用SMIC0.18工艺文件进行仿真
工艺参数(粗略):
N:
VTN=0.4Un*Cox=320uL=1u时,lamda=0.05
P:
VTP=0.5Up*Cox=70uL=1u时,lamda=0.03
1.3实验任务要求
对二级运放做如下仿真:
1)直流工作点和静态功耗。
2)直流增益、带宽和相位裕度,增益带宽积。
3)传递函数、输入阻抗、输出阻抗。
4)共模抑制比。
5)电源抑制比。
6)噪声。
7)压摆率。
8)输出动态范围。
9)失真分析,对输出进行FFT分析,得到总谐波失真量。
先手动计算出个性能理论值,然后与仿真结果进行比较分析。
二.电路设计指标分析
2.1直流增益,输入阻抗,输出阻抗
电路等效模型如图
其中,
因此,可以将增益表示为:
2.2带宽、相位裕度和增益带宽积
可以算得,电路传递函数如下:
得到两个近似极点:
2.3电源抑制比
计算可得低频下有:
正电源抑制比
若器件完美匹配,则低频下正电源抑制比为无穷大
负电源抑制比
在低频下,负电源抑制比与M1和M6的过驱动电压成反比。
2.4压摆率
同理可得
2.5输入,输出动态范围
输入范围:
如图,输入范围上限为VDD减去M5的过驱动电压和M1的栅源电压,下限为M3的栅源电压。
输出范围:
输出动态范围下限为M6的过驱动电压,上限为VDD减去M7的过驱动电压。
三.电路参数计算
3.1相位补偿设计
首先是补偿电容Cc的选择,Cc增大有利于相位裕度的提高,减小噪声,但是会使GBW和SR下降,根据相位裕度达到61°的要求,第二极点要在大约2GBW处。
即gm6/gm1约等于2CL/Cc。
由于GBW可以通过增大gm1来提高,而本放大器输出电压摆幅受电源电压限制,所以压摆率可以适当减小,所以将Cc的值适当增大。
负载电容CL为2p,所以选择Cc为1p,根据上述要求,则gm6/gm1约为4。
3.2电流分配
根据功耗小于1.2mW的要求,已知电源电压为1.8V,可以算得最大总电流约为666uA,留一定余量,取580uA,则有如下电流分配。
令Id8=Id9=20uA,Id5=9Id8=180uA,Id7=2Id5=360uA.
3.3过驱动电压设计
由于本电路供电电源电压较小,又为了使电路非线性减少,所以将过驱动电压定在0.15~0.2V之间,减小M1的过驱动电压有利于增大增益带宽积,增大电源抑制比,因此设置M1的Vod=0.15V,M5的Vod=0.2V。
M3,4取Vod=0.2V。
由于对称性,Vod7,8,9=Vod5=0.2V,Vod6=Vod4=0.15V。
可以得到共模输入范围:
0.05 取中间值,Vin,cm=0.5V得到各点计算电位如下: 3.4宽长比设计 根据电流和过驱动电压算出各个管子的宽长比如下: 管子尺寸 W(um) L(um) W/L M M1 2.5 0.5 114.3 23 M2 2.5 0.5 114.3 23 M3 2.5 0.5 25 5 M4 2.5 0.5 25 5 M5 1.2 0.25 128.6 27 M6 2.5 0.5 100 20 M7 1.2 0.25 257.2 54 M8 1.2 0.25 14.3 3 M9 1.2 0.25 14.3 3 M10 5.5 1 5.5 1 M11 5.5 1 5.5 1 M12 5.5 1 22.2 4 M13 5.5 1 5.5 1 M14 2.5 0.5 25 5 Cc 1pf RB 3.6K 3.5运放部分性能参数计算 (1)直流增益: (Lp=Ln=0.5u) 由以上式子算得A0约为76.83db (2)GBW: 算得GBW约为190MHz (3)相位裕度: 相位裕度设计的最低值为61° (4)PSRR: PSRR+约为无穷大,PSRR-约为80.91db (5)功耗: 由总电流电压可得静态功耗为1.044mW (6)压摆率: 算出SR约为90V/us 四.spice仿真及结果分析 *amplifiertotalcircuit .LIBAMP_1 .SUBCKTampV+V-OUTVDDGND M12V+11p18e2rW=2.5uL=0.5uM=23 M23V-11p18e2rW=2.5uL=0.5uM=23 M322GNDGNDn18e2rW=2.5uL=0.5uM=5 M432GNDGNDn18e2rW=2.5uL=0.5uM=5 M516VDDVDDp18e2rW=1.2uL=0.25uM=27 M6OUT3GNDGNDn18e2rW=2.5uL=0.5uM=20 M7OUT6VDDVDDp18e2rW=1.2uL=0.25uM=54 M866VDDVDDp18e2rW=1.2uL=0.25uM=3 M976VDDVDDp18e2rW=1.2uL=0.25uM=3 M10678GNDn18e2rW=5.5uL=1u M11779GNDn18e2rW=5.5uL=1u M128910GNDn18e2rW=5.5uL=1uM=4 M1399GNDGNDn18e2rW=5.5uL=1u M14473GNDn18e2rW=2.5uL=0.5uM=5 RB10GND3.6K Cc4OUT1P CLOUTGND2P .LIB"/home/jingjing/Gene/library/e2r018_v1p8.lib"TT .ENDS .ENDL 设计好的运放电路图网表如下(作为下面分析的子电路): 4.1直流工作点和静态功耗 (1)仿真电路: (2)仿真网表: (3)仿真结果: 各节点的电压如图所示。 由仿真结果可知,该运放静态功耗为1.0523mW,符合题意要求。 4.2直流增益、带宽、相位裕度、增益带宽积 (1)仿真电路: (2)仿真网表: (3)仿真结果: 以下为测量结果: 直流增益约为73db,带宽约为33kHz, 相位裕度约为76°,GBW约为167MHz 幅频特性与相频特性仿真图: 4.3传递函数、输入阻抗、输出阻抗 (1)仿真电路: (2)仿真网表: (3)仿真结果: 结果如下,可知该运放接成电压跟随器时,输入阻抗约为10^20欧,输出阻抗约为3.1欧。 4.4共模抑制比 (1)仿真电路: 仿真结果为共模转差模增益,将差模增益除以该增益即为共模抑制比. (2)仿真网表: (3)仿真结果: 该图为共模抑制比的仿真结果,可以看出,低频时的共模抑制比约为76.4db,相对一般运放来说略有不足。 4.5电源抑制比 (1)仿真电路: 该图为电源增益仿真电路图,将差模增益除以电源增益即为电源抑制比。 (2)仿真网表: (3)仿真结果: 如图,低频下正电源抑制比约为99.9db,负电源抑制比约为83.2db,该运放的电源抑制比与一般的运放差距不大。 4.6噪声 (1)仿真电路: 噪声仿真电路与静态工作点仿真电路相同。 (2)仿真网表: (3)仿真结果: 噪声仿真结果如下: 4.7压摆率 (1)仿真电路: (2)仿真网表: (3)仿真结果: 由该结果可知,在1.8V阶跃信号下,运放的最大建立时间约为20.8ns, 由此算得压摆率约为86.5V/us。 4.8输出动态范围 (1)仿真电路: 该电路接成增益为10的固定放大电路,即R1=1M欧,R2=9M欧 (2)仿真网表: (3)仿真结果: 仿真结果如下,该结果反映了输入正弦波幅度对应输出电压的总失真百分比,可以看出,当失真小于0.1%时,最大正弦输入VPP为0.15V,输出摆幅为1.5V,即输出最大动态范围为0.15—1.65V。 4.9失真分析,对输出进行FFT分析,得到总谐波失真量 (1)仿真电路: (2)仿真网表: (3)仿真结果: 以下为输入正弦波为100KHz,幅度为0.14V时的各谐波失真分量, 总失真百分比约为0.089%。 五.仿真结果与计算结果对比分析 以下是电路计算参数与仿真结果的对比,可以看出,仿真结果的静态工作点与实际偏差不大,得到的交流运放参数也基本相同。 其中偏差较大的为相位裕度和正电源抑制比,相位裕度偏差较大可能是因为计算时忽略了零点的影响和寄生电容参数,正电源抑制比则是因为理论值过于理想化,实际得到的PSRR+也将近100db,该值也足够理想。 参数名称 理论值 实际值 静 态 工 作 点 (mV) 节点1 M7 M8 M9 M10 1150 1086.3 节点2 550 571.9104 节点3 550 571.9098 节点4 550 571.9098 节点5 900 898.4180 节点6 1100 1156.7 节点7 1100 1245.0 节点8 550 550.2506 节点9 550 551.4507 节点10 72 70.9001 静态功耗(mW) 1.044 1.0523 相位裕度 61° 76.548° 直流增益(db) 76.83 73.556 压摆率(V/us) 90 86.5 正电源抑制比(db) 无穷大 99.9 负电源抑制比(db) 80.91 83.2 带宽增益积(MHz) 190 167 结论: 总的来说,本次运放设计是较为成功的,不仅符合提出的指标的要求,而且理论和实际偏差也不会太大。 心得体会: 在本次运放设计的过程中,我对“理论指导实际”这一思想有了更深的体会。 在这次设计中,我经历了从理论分析到仿真验证的过程,并且深深感受到理论分析对实际的指导作用。 理论是用来指明方向的,并且可以说是实际设计的前提。 同时,我也对运放设计中的“折中”思想有了进一步体会。 通过与周围同学设计结果的对比,我发现运放设计并不存在所谓的“最优解”。 一个参数的优化必然要导致其它性能参数变差。 用一句话总结就是: 没有最好的,只有最适合的。 可以说,运放是专门针对需求来设计的。 分析过程中遇到的问题: 在本次运放设计仿真过程中,我遇到了许多问题。 首先,在理论计算过程中,我得出了各项性能参数的计算公式后,却不知从何入手开始确定。 原因是运放参数相互之间的影响十分复杂,一旦开头没想好,后面可能会一塌糊涂。 在参考了复旦大学设计的报告后,我根据其中的设计顺序,从补偿电容入手,然后是相位裕度,然后是电流分配,之后确定过驱动电压,最后在计算出宽长比。 最后解决了问题。 其次,使用SPICE仿真的过程中,由于一些指令不熟悉,导致花了许多时间在网表的修改上。 最后还有各性能参数测试的仿真电路,这个问题也困扰了我很久,最后参考了网上的电路,了解其原理后,这个问题才得到解决。 此外,在运放宽长比设计的过程中倒是没遇到什么大问题,这应该归功于我在理论分析方面花了许多时间。 参考文献 [1]P.E.Allen.CMOS模拟集成电路设计,第二版.电子工业出版社,2006 [2]B.Razavi.模拟CMOS集成电路设计.西安交通大学出版社,2003 [3]刘金华。 跨导运算放大器及其滤波器原理与应用[D].湖南: 湖南大学。 2002 [4]DavidA.Johns.模拟集成电路设计[M].北京: 机械工业出版社。 2009: 20-99 [5]SaintC.集成电路版图基础[M]北京: 清华大学出版社。 2008: 20-10
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