实验课7 全差分运放的仿真方法

CMOS模拟集成电路

实验报告

实验课7 全差分运放的仿真方法

目标：

1、了解全差分运放的各项指标

2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行仿真，给出各指标的

仿真结果。

本次实验课使用的全差分运放

首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。其相对于单端输出的放大器具有一些优势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所以在供电电压很小的情况下，单端输出很难理想工作，为了电路有很大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大器和共模反馈环路组成。

1、开环增益的仿真

得到的仿真图为

1.开环增益：首先开环增益计算方法是低频工作时(<200Hz) ，运放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为73.3db。

2.增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW，所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带宽积为1.03GB。

3.相位裕度：其计算方法为增益为0的时候对应的VP的纵坐标，如图即为-118，则其相位裕度为-118+180=62，而为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB 时，相位的移动应小于180 度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要求。

在做以上仿真的时候，关键步骤

在于设定VCMFB，为了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4为到5位才能得到大增益。

2.CMRR 的仿真

分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。因此需要仿真共模增益和差分增益。可以利用两个放大器，一个连成共模放大，一个连成差模放大，

用图1仿真差分增益

图1

用图2仿真共模增益

图2

将两个仿真写在一个sp文件中可以得到如下结果：相角仿真

因为CMRR 的相角为=Vp(V op,Von)-Vp(V o p)

黄色的为Vp(Vo p)，红色的为Vp(V op,Von)，两者相减，得到CMRR 的相角的仿真图为，其中蓝线为CMRR的相角仿真图，其它两条为上面的线，将它们放在一起对比：

CMRR的幅度仿真

其CMRR 的幅值为=Vdb(V op,V on)-Vdb(V op)，蓝线为Vdb(V op,V on)，粉线为Vdb(V op)，两者相减得到绿线，即为CMRR的幅值特性曲线

截取其在100HZ之前的增益值可得低频时增益为49.1db。

3.PSRR 的仿真

分析可得，共模抑制比定义为放大器的差分增益和电源到输出的增益的比值，它放映了放

大器对电源和地噪声的抑制能力。此时，同样使用两个放大器电路，一个仿真电源到输出的增益，一个测试放大器的差分增益。电路的信号激励和CMRR中设置的一样，所不同的是在仿真共模信号的图中的直流信号实质上就是VDD，交流信号最为输入小信号加在输入端，即为如下图：

按照上述步骤进行仿真可得

幅度仿真图为

PSRR的幅值=Vdb(V op,V on)-Vdb(V op)，其中蓝线为Vdb(V op,Von)，粉线为Vdb(Vop)，两者相减即可得PSRR的幅值的曲线，即为绿线。则由上面的仿真图截点可得其PSRR的幅值低频增益为43.6。

可得相角仿真图为

PSRR的相角为=Vp(V op,V on)-Vp(V op)，其中最上面的线为Vp(Vop)，中间紫色的线为Vp(V op,Von)，最下面的黄线即为PSRR的相角的变化曲线

4. 输出阻抗的分析

得到仿真图为

首先，输出阻抗是指运放闭环应用时的输出阻抗，如果把闭环系统作为一个电压源来看，则输出阻抗即为该电压源的源电阻。

由图像可得点，将此点转为电压并与设定的电流相除即可得到电阻，由此得到输出阻抗为794K。

5转换速率仿真

首先，转换速率表示大信号工作时运放性能的一个重要参数，是运放输出电压对时间的变化率。然后观察图像，其中红色的线为V(outm)，黄色的为V（outp），则通过截点可计算V （outp）SR为0.109 V/N S , V(outm)SR为0.063 V/N S。

源代码：

------------------------------------------------------------------------------ .TITLE7-1

.MODEL NMOS NMOS (

+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9

+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1

+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11

+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)

**************model PMOS************************

.MODEL PMOS PMOS (

+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8

+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2

+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11

+MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)

************************************************