CMOS运放的仿真经验总结

共模抑制比
？
电源电压抑制比
噪声分析
转换速率
SR=2.5V/uS
建立时间
？
双端输入、单端输出运放——交流仿真
共模抑制比(CMRR)的仿真
CMRR即为差模电压增益与共模 电压增益之比，并用对数表示。 CMRR=20log(Aid/Acm) CMRR越大，则运放的对称性越 好。
对右图电路进行AC分析时，观察 Vout的波形。1/Vout即为CMRR值
图6 共模抑制比仿真电路
运算放大器的技术指标总表参数类型符号参数名称单位直流icc电流电源magm正向跨导svid线性输入范围vgmibias跨导与偏置电流的比值1vicmr共模输入范围vvos输入失调电压mvvos输入失调电压温度系数vociopp输出峰峰电流mavopp输出峰峰电压v参数类型符号参数名称单位交流avo开环增益dbgbw单位增益带宽mhzpm相位欲度ocpsrr电源电压抑制比dbcmrr共模抑制比dbrid差模输入电阻kro输出电阻k参数类型符号参数名称单位瞬态sr转换速率vsts建立时间sthd总谐波失真bwfull全功率带宽mhz极限vcc电源电压vpd允许功耗mvvidr差模输入电压范围vvbi偏置端直流输入电压vta工作温度oc主要内容运算放大器的技术指标总表全差分运放性能参数仿真规范双端输入单端输出运放性能参数仿真规范跨导运放ota性能参数仿真规范运放其它特性参数仿真双端输入单端输出运放直流仿真失调电压voltageoffset的仿真在实际运放中当输入信号为零时由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏差使得输出不为零而为一个较小值该值为输出失调电压折算到输入级即为输入失调电压vosvosvovinmv图1输入失调电压仿真电路双端输入单端输出运放直流仿真失调电压温度系数vos的仿真输入失调电压随温度的变化率仿真电路同输入失调电压的仿真
右图仿真时将电源电压设置为AC源， 进行AC仿真。
图7 PSRR仿真电路
双端输入、单端输出运放——交流仿真
噪声分析
噪声分析可以仿真出电阻热噪声、 晶体管热噪声和1/f噪声，仿真时 必须有厂家给出的noise模型参数。 噪声是一个频带的概率，即考虑 噪声总是指在一定频率范围内的 噪声，所以噪声分析必需与AC分 析同时进行。
交流仿真 瞬态仿真
交流小信号分析(AC analysis)是用来计算电路的小信号频率 响应特性。在分析时，仿真器首先计算电路的直流工作点， 然后建立电路的工作点处的线性模型，并以此计算电流的频 率响应。仿真时需要设置专门的交流信号源。
瞬态仿真分析（transient analysis）是在给定的输入激励下， 在设定的时间范围内计算电路的 时域瞬态响应性能。要验证 设计电路的稳定性、速度、精度等问题必须经过各种情况下 的瞬态分析才能作出正确的判断。
双端输入、单端输出运放——交流仿真
电源电压抑制比(PSRR)的仿真
PSRR定义为从输入到输出的增益除 以从电源到输出的增益。即 PSRR=-20log[(1/Av)*(dVout/dVdd)] 当双电源供电时，此时应分别给出 正负电源的PSRR；而对于单电源供 电时只要给出电源电压的PSRR即可。
图9 转换速率建立时间仿真电路
失调电压的仿真
失调电压的温度系数仿真
αVOS =2.7uV/°C
共模输入范围
ICMR：1.2V~4V
输出动态范围
？
开环频率特性
GBW=4.06MHz, Ao=67dB, PM=72degree
闭环频率特性
反馈系数为1，故闭环增益为1；且相位欲度为72度，在转 折频率处无过冲。
主要内容
运算放大器的技术指标总表 双输入单输出运放性能参数仿真规范
全差分运放性能参数仿真规范 跨导运放（OTA）性能参数仿真规范
运放的其它性能参数仿真规范
运算放大器的技术指标总表
直流仿真
直流仿真分析(DC analysis)是其他所有仿真的基础，在瞬态 分析、交流分析等分析的过程中，首先就是要计算工作点。
图2 共模电压输入范围仿真电路
双端输入、单端输出运放——直流仿真
输出动态范围(output swing)的仿真
输出动态范围是在额定的电源电 压和额定的负载情况下，运放可 提供的没有明显失真的输出电压 范围。 显然，输出摆幅是受负载电阻的 影响。当负载电阻太小时，输出 摆幅将由输出级的电流决定，为 Io*RL。
图4 开环增益仿真电路
双端输入、单端输出运放——交流仿真
闭环频率特性的仿真
闭环频率特性是与开环频率特性 相关的，它是开环频率特性的一 种验证，如果开环时的相位欲度 不够，在闭环曲线的转折频率处 就会出现过冲，相位欲度越低， 过冲越大，一般在相位欲度为 60°以上时，才没有过冲。
图5 闭环频率特性的仿真电路
参数名称 转换速率 建立时间 总谐波失真 全功率带宽 电源电压 允许功耗 差模输入电压范围 偏置端直流输入电压 工作温度
单位
V/μS Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
MHz V mV V V OC
主要内容
运算放大器的技术指标总表 双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范
全差分运放性能参数仿真规范 跨导运放OTA性能参数仿真规范 运放其它特性参数仿真
双端输入、单端输出运放——直流仿真
失调电压温度系数αVOS的仿真
输入失调电压随温度的变化率， 仿真电路同输入失调电压的仿真。 仿真时对温度进行DC分析。即 .DC temp -40 115 1 测试输出电压DC波形即可
图1 输入失调电压仿真电路
双端输入、单端输出运放——直流仿真
共模电压输入范围的仿真
参数类型
交 流
符号
AVO GBW PM PSRR CMRR RID
RO
参数名称 开环增益 单位增益带宽 相位欲度 电源电压抑制比 共模抑制比 差模输入电阻 输出电阻
单位
dB MHz oC dB dB kΩ kΩ
参数类型
瞬 态
极 限
符号
SR
TS THD
Bwfull VCC PD VIDR VBI TA
图3 输出动态范围的仿真电路
双端输入、单端输出运放——交流仿真
开环增益、增益带宽积、相位欲度的仿真
开环增益：低频工作时(<200Hz)，运 放开环放大倍数。 增益带宽积：随着频率的上升，A0会 开始下降，当A0下降到至0dB时的频率 为GBW。 相位欲度：为保证运放的 工作稳定性， 当增益下降到0dB时，相位的移动应小 于180度。一般取PM=60°，即相位的 移动应小于120°。
对理想运放，当输入共模电压时， 输出应为零，而对实际运放，输 入共模电压时，输出不为零，当 共模电压超过一定值时，运放不 能再对差模信号进行正常放大。 在共模电压不断增大时，使得 CMRR下降6dB的共模电压为正向 共模电压Vicm(+)，同理，CMRR 下降6dB时的负向共模输入电压为 Vicm(-)，则共模输入范围为： Vicm(-)~Vicm(+)
图8 噪声分析仿真电路
双端输入、单端输出运放——瞬态仿真
转换速率、建立时间的仿真
转换速率：运放输出电压对时间的变化 率，在测试转换速率时，应取最大变化 率。设输出电压为：
Vo=Vom*sinωt 则 SR=dVo/dt|max=Vom*ω (V/us) 当工作频率增大时，若SR太小，则运放 输出达不到Vom，即输出跟不上输入的 变化。所以，必需保证运放 的SR要大于 输入信号的最大变化率。 建立时间：指运放接成跟随器时输入阶 跃大信号，输出电压从开始响应到稳定 值为止的时间
运算放大器的技术指标总表
参数类型
直 流
符号
ICC gm VID gm/Ibias ICMR
VOS αVOS IOPP VOPP
参数名称 电流电源 正向跨导 线性输入范围 跨导与偏置电流的比值 共模输入范围 输入失调电压 输入失调电压温度系数 输出峰-峰电流 输出峰-峰电压
单位
mA μS V 1/V V mV μV/oC mA V
双端输入、单端输出运放——直流仿真
失调电压(voltage offset)的仿真
在实际运放中，当输入信号为零 时，由于输入级的差分对不匹配 及电路本身的偏差，使得输出不 为零，而为一个较小值，该值为 输出失调电压，折算到输入级即 为输入失调电压VOS。
VOS=|VO-VIN| (mV)
图1 输入失调电压仿真电路