1、11一级运放仿真总结报告 2模 电 2010 级 姓 名 姚 评 实训内容 一级运放仿真 实训时间 2013 年 7 月 22 号 22一级运放各指标仿真总结报告一、本次一级运放的仿真大概包括以下 13 个指标：1、增益 Av（1） 、开环增益，闭环增益。（2） 、差模增益 ，共模增益 。DMVA, CMvA,2、输入范围（1） 、共模输入范围。 （确定工作区间，即是放大器有放大功能、确定各管子饱和的条件）（2） 、差模输入范围。 （电路能够处理的最大差模信号输入范围）3、摆幅输出量最大值减最小值。4、压摆率 又叫压摆，即转换速率（Slew Rate）简称 SR 是大信号特性，定义为，在大信号
2、阶跃发生转换时的斜率。电路接法：单端输出负反馈（输出与输入短路） ，另一个输入端加上阶跃信号，阶跃信号为共模电压的 0.1 倍，且输出端与地之间加上电容 CL。 也可通过Calculator 计算得到。其仿真结果如 图 6.4（有超链接）5、建立时间 Settling time，简称 ST。 小信号特性，是输入发生阶跃到输出信号进入最终稳定带的时间间隔。电路接法：单端输出负反馈结构，不接输出负载 CL。另一输入端所加的阶跃信号为共模信号的 0.001 倍。也可通过 Calculator 计算得到。仿真结果如 图 7.26、带宽（1） 、3dB 带宽Bandwidth，通频带增益下降了 3 个
3、dB 时所对应的频率大小，通常对应主极点。（2） 、单位增益带宽 GB增益下降为 1，即 20lgAv=0 时的带宽。这两个概念可以通过 图 1.0 的仿真结果看到。7、输入、输出阻抗（1） 、输入阻抗在输出短路时，输出电流与输入电压之比。（2） 、输出阻抗输入短路时，放大器的本征阻抗。338、噪声（1） 、热噪声KTRN4（2） 、闪烁噪声噪声。f（3） 、散弹噪声载流子之间碰撞所产生的噪声。9、功耗UItP一般要求的指标是指功率：P S=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（Common Mode Reject Ratio），即差模增益 与共模到
4、差模的转换系数 比，DMCARDMADMCA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 差模增益D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DMCA后列出方程求解。11、电源抑制比 PSRR（ Power Supply Rejection Ratio）差模增益与电源到输出的增益之比， （其中 和 vin=00inDdvAPSRdV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；0v|APSRd（2
5、） 、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 V offset（V os）(510mV) 。 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输入失调 （无法通过仿真得到）13、相位裕度（Phase Margin）PM在给定负载下，增益下降为 1 时，相位变化的剩余量。44PM=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 4.118185、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： 2,1)(
6、2THPCMinSVISinIV1,又 M5 管子饱和： 1bTHPDSTHGS VbCMinI1mi,根据 M1 饱和： VTHnpbVDCin VTnCMiDSTSX2, ,3)(3,npbMinbnSI2,1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 ，所以更简单的结果是共模输入范围为：)(51THGSV13,5 )(THGSDCMinGS VV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，则 W/L=88，Vb1=960mV，ISS=I
7、d=1.868mA，所以得到：= 1bnSVI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：1311mV3267mV（2） 、再计算差模输入范围在忽略亚阈值导电的情况下，当 超过某一限定值时，所有的 ISS 电流就inV会流经一边的晶体管，而列一个晶体管截止。用 表示这一限定值，由于1in1919M2 管几乎截止，我们得到 从而有： （LZWTHGSinDVI11 LWCIOXnSi21书 p91 式（4.12） ） ，所以差模输入范围为：
8、iini（当 时 M1 管处于截止状态；当 时 M221iVini 1Vii管截止）将电路图改成差模后，继续用上面的参数可以算得 mVuAmLWnCoxISVi 1.49.08/176.2所以该电路的差模输入范围为 - 491.1mV491.1mV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 管pMOS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
9、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：。uSVnSV/91.3206.85.34（2） 、而通过 Calculator 计算得到的值为： 42.49V/u S 32.9V/u S但是由于我在要求的几个电
10、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。2020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： AC magnitude : 0V
11、Voltage 1 : 0V(小信号阶跃信号低电平) Voltage 2 : 0.18V(小信号阶跃信号高电平) Delay time:10ns（延迟时间） Rise time:10ps（上升沿） Fall time:10ps（下降沿） Pulse width: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：2121（1） 、点击 Results Direct Plot Transient Signal 得到曲线如 图 6.4 后，由曲线的线性区的两个点算得其斜率为：SR1= uSVnSV/208.4.67.3081（2） 、下面通过 Calculator
12、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 下的 ，再点击函travt数窗口中的 Slew Rate 函数，在 Slew Rate 函数的设置窗口中： Signal : VT(“V out”) Initial Value Type（初始值的类型） : （1）x at y : 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 x at y Initial Value : 初始值大小。选 x at y 则输入横坐标；选 y 则输入初始值大小。 填 10n。 Final Value Type : 结束
13、值类型。 （1）x at y ：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 x at y 。 Final Value : 结束值大小。 填 790n。 Percent low 和 Percent High：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 键，缓存窗口中便会显Eval示该放大器转换速率。我的仿真结果是：SR2=0.18V/usSR1(跟前面的结果情形一样，都是 SR1 更大)。2222图 6.22323图 6.3图 6.42424由上面的曲线图可以看出，输出电压“
14、”在跳变后的一段时间内并没有outV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） ，2525图 7.1注意：如果想缩短系统的 ST，则可以增加负反馈
15、的 3dB 带宽。图 7.28、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 与输入电压的 Vin 的比值。所以有：outi2626图 8.1inoutmvG（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 V
16、X，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：图 8.2XOUTIVR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：2727图 9.1可以分别计算其差模增益跟共模增益，从而算得其 CMRR，1)(21mDDMCgRAS42所以： )21(2121SmSmRggC10、电源抑制比2828图 10.1由以上电路仿真可以得到该放大器的 PSRR 倒数的频率特性曲线，如 图 10.2该曲线只需
17、仿真结束后点击增益曲线：AC dB20 便可得到。2929图 10.2通过 Calculator 还可以得到该放大器的幅频特性曲线，只用点击 1/x 函数即可得到曲线图 10.3图 10.311、相位裕度1、稳定系统：图 11.12、不稳定系统：如图 11.2 中的曲线 1 所示，对于这种不稳定系统，我们要将其优化成稳定的，有以下两种方法：（1）把总的相移减至最小，是相位交点 PX 往外推，如图曲线 3 4 的过程。（2）降低增益，使增益交点 GX 往里推，如图曲线 1 2 的过程。3030图 11.2实际的仿真结果如图 11.3，我是根据图 1 仿真得到的，点击 AC Gain & Phase然后点击输出端和输入端，这样就可以得到曲线。图 11.3由曲线我们可以看出，该放大器相位裕度为- 87.47 - ( - 180)5=92.53 。 ，是一
