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2024年7月25日发(作者:)
基本两级运放分析与仿真
分析下图所示两级运放大的指标:
偏置电流与功耗、开环增益、
GBW
与相位裕度、压摆率、
Swing Ran ge
、噪 声、
工艺
corner
分析、温度特性分析等
vdd
vdd
M1
801
M3
vo
CL 1 civ
Rb fOOk
+ vac
IW
Rz
rzv
0.6u
U2
□ 2u
士
.4876V
1
U5
Cc
u—
—
ccv
1
—
建立该放大器的网表文件存储在文件:
中 网表文件:
*subckt opa .param rzv=1k ccv=1p clv=1p .subckt opa vip vin vo 0 vdd ml 1 1 vdd
vdd PENH w=12u l=2u m=2 m2 vo1 1 vdd vdd PENH w=12u l=2u m=2 m3 vo vo1
vdd vdd PENH w=12u l=0.6u m=8 mu1 1 vin 2 0 NENH w=12u l=2u m=2 mu2 vo1
vip 2 0 NENH w=12u l=2u m=2 mu3 2 vb 0 0 NENH w=12u l=6u m=1 mu4 vo vb 0 0
NENH w=12u l=6u m=8 mu5 vb vb 0 0 NENH w=12u l=6u m=1 rb vdd vb 100k rz
vo1 3 rzv cc 3 vo ccv cl vo 0 clv cb vb 0 10p
.ends
1
1.
工作点分析
由仿真结果查得电路的功耗是多少?各个
网表如下:
mos
管的工作区域,以及
MOS
f
的漏极电流为多少?该放大器的偏置电流为多少?
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.op
.end
(1
)电路的功耗:
total voltage source power
T/cilt:age sources
dissipation= watts
■st
蓝盍
盖
subckt
element
vol t
吕
current
power
0 :vdd 0:vinl
5.0000 2.4876
-357.9266u 0.
1.7&96m 0.
0:vipl
2.4S76
0.
0.
电路功耗为
1.7896mW
(2
)各个
mos
管的工作区域
,MOS
管的漏极电流
,
以及放大器的偏置电流:
aubckt
xal
xal
xal xal
element
model
region
id
subckt
1
:
ml
0:penh
Sarurati
-17.2O45U
xal
l:mu4
0:nenh
Saturati
2S0.8355U
1
0 :penh
Sarurati
-17.2O45U
xal
1;
0: nenli
1
:
m3
0 :penh
Sarurati
-?S8.8356u
1
:
mul 1
:
mu2 1
:
rau3
O:nenh 0:nenh 0 :nenh
Sarurati Saturati Saturati
17.2O45U 17.2O45U 34.4089U
element
model
region
id
Saturati
34,6021u
2.
直流分析
仿真该运放的输入输出特性曲线,求小信号增益、输出摆幅(
output swing range
)
网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT .in elude
2
"/home/fzu/example/zuoye/opa .n et" xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.dc vip1 2.484 2.491 0.0001
.end
(1
)输入输出特性曲线、小信号增益
(
2
)输出摆幅
由输入输出特性曲线图可得输出摆幅为:
4.9112V-0.01057V=4.90063V
3.
交流分析
(调整管子尺寸使运放的增益大于
60dB,
调整补偿电容使相位裕度大于
60
) ① 在没有
补偿电阻(
Rz
),补偿电容
(
Cc)
为
1pf
的条件下求该放大器单位增
益带宽(
GW/
B
相位裕度;
网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
.param rzv=0
xa1 vip vin vo 0 vdd opa vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.ac dec 100 100 200meg
.print ac vdb(vo) vp(vo)
.end
3
仿真波形如下:
SHCF FxpIfflFr ^n-Kinn 7HC-. I Cn^iljhi
"z 呼
n I nr. P^ip^nal hi
■叭y
Tags ia r
:
nfis ssss
(,仇
•”
:
ma
■M"
[d£d
E
<
J
■- ] cimril hrtm
:* | . J
S- HWViH J? «I*^|HW
的
HMWIM 3S i I : I--Fi* *J M¥T**iR +1 "iLI! : I'M*!* WYV^iM +]
>
I
MPW3*
I
>
*A , WV^jlH *E
■皿摯 >| 呼
SR
匚
E Ev
加百
Vim ns 2DC
序呼
壬,
b«Vr>iW 4? VVWi*
国
tawjR
R, jhmuhMnJrrij
讥
List
文件截图
:
23.44229x
2・9183m -110.3815
由上图有,该放大器单位增益带宽(
GWB
为:
23.44229MHz,
相位裕度为:
180-110.3815=79.6185
② 分析没有补偿电阻,补偿电容在(
0~5pf
)变化的时候对
GWB
口相位裕度
的影响;
网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
.param rzv=0
xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.ac dec 100 10 200meg sweep ccv 0 5p 0.5p
.print ac vdb(vo) vp(vo)
.end
4
仿真波形如下:
:* | 在“口.巾
w
章他卫
hui.
、
jB? SF1 C£ Exdni Vrn
』母
hu "
List
文件截图
:
ccv=0pf
165.958693(
ccv=0.5pf
48.2706m 161.8799
|42.65795X
93-S095m
-122.3574
ccv=1pf
23.44229X
ccv=1.5pf
1.1939m
-1 10.3fi27
15.84893x
8jD. 7018m
-105.5736
-101.5&22
ccv=2pf
12 022fi4K
ccv=2.5pf
«5.9371m -IDS.1933
9.5499SX
175.8782m
ccv=3pf
&.12831X
ccv=3.5pf
20.4489m
155.0402m
-100.S029
6.91&31X
102.5128m
-99.9992
-99.015S
ccv=4pf
6.0256QX
ccv=4.5pf
-99.4129
5.37032X
144.4577m
ccv=5pf
4.B9779x 37.0887m -98.7967
由上知随着电容增大,单位增益带宽减小,相位裕度增大
③ 分析补偿电阻在(
0~2K
变化,补偿电容为
1pf
的时候对
GWB
口相位裕度 的影响。
网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.ac dec 100 1k 200meg sweep rzv 0 2k 0.2k
.print ac vdb(vo) vp(vo)
.end
5
仿真波形如下:
:* | 』
[LEirffecNwiLal
|匚『
hjrwuTruiKaJgTij
讥叫■如洛>|毀
SR
匚
E Exp4uw Vunns 20C
曲堰
List
文件截图
:
rzv=Ok
23 .44229X
rzv=0.2k
1,1935m -110.3827
22.90S68X
191,4556m
-108,3423
rzv=0.4k
22.9086&X
rzv=0.6k
180.7743m -106.7546
22.9D868X
177.2439m
-105.1634
rzv=0.8k
22.90B68X
rzv=1k
180
a
8920m -103.5714
22.90a68x
191.7123m
-101.9814
rzv=1.2k
23
L
44229
X
rzv=1.4k
3
・
3645
JW
-100.6337
23 .44229X
29.5362m
-99.0198
rzv=1.6k
23.44229X
rzv=1.8k
62.9624m -97.4165
23.44229X 103.4B64ffl -95.8264
rzv=2k
23.44229X 150,9187m -94.2522
由上知随着电阻增大,单位增益带宽变化不大,稍微有点增大,相位裕度增大
4.
噪声分析:
对放大器的输出节点做噪声分析,给出分析的结果 网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
xa1 vip vin vo 0 vdd opa vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.ac dec 10 10 1g
.no ise v(vo) vip1 20
.end
6
List
文件截图
:
⑴
f=10Hz
"*
氐
total output noise voltage
=20.9058U
= 4.5723m
transfer function value: v(vo)/vipl
1.4974k
equ-ivalent input noise at vipl
⑵
f=1KHz
**** total output noise voltage
=207.8938H
=455.9537u
transfer function valuer v(vo)/vipl
equivalent input noise at vipl
⑶
f=100KHz
1.4944k
=305.104711
**** total output noise voltage
transfer function value: v(vo)/vipl
= 60.9061P
equivalent input noise at vipl
= 7.8042U
=235.5574
=33.1309n
⑷
f=10MHz
a total output noise voltage
= 1.03S9f
=32.2320n
transfer function value: v(vo)/vipl
equivalent input noise at vipl
= 2,3759
⑸
f=1GHz
=13.5662n
**** total output noise voltage
二
l
+
1830a
transfer function value: v(vo)/vipl
= l,0877n
equivalent input noise at vipl
由上知,随着频率的增大,噪声减小
二
9.3601m
=116,2014n
5.
压摆率分析(提示:运放工作在闭环状态,用瞬态分析)
输入激励信号为:
PULSE 2 3 20ns 0.1 n 0.1 n 100n 200n
测量上升和下降的压摆率分别为多少?
网表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin vo dc 0
vip1 vip 0 dc 0.4876 pulse 2 3 20n 0.1 n 0.1 n 100n 200n
.tra n 5n 1u
.end
7
sq v/hz
v/rt hz
/rt hz
sq v/hz
v/rt hz
/rt hz
sq v/hz
v/rt hz
sq v/hz
v/rt hz
/rt h2
sq v/hz
v/rt hz
/it hz
仿真波形如下:
File MaveVieu Panel Axes Tools CcrFig Help
越
I
创型亘回
>1
刮團倒列因團国⑥创昼
LELal
型包
列
&QD0;5-55tr0
+
L
囲瀚
1
①®
©②
©
①
上升和下降的压摆率分别为
:
slewrate(
,
10lvo2
t
9^2.1)
slewrate('lOlvo',2
+
1,2
+
9)
= -2J4175e+07
= 3^024618+07
6.
模型
corner
仿真
求出模型在
FF
、
SS FS
、
SF
等情况下的小信号增益,以及
GWB
口相位裕度。 网
表如下:
*opa
.optio ns post=2
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT
.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"
xa1 vip vin vo 0 vdd opa
vdd vdd 0 5
vin1 vin 0 dc 2.4876
vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0
.dc vip1 2.484 2.491 0.0001
.ac dec 10 10 1g
.print ac vdb(vo) vp(vo)
.alter
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' FF
.alter
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' FS
.alter
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' SF
.alter
8
.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' SS .end (1)
模型在
TT
、
FF
、
FS
、
SF
、
SS
情况下的小信号增益
5TKL Cipktzr
V-
UBHM
2IK
、
C^rr'*4^i GbRIDM 5■ rd*ork Delian Lt:. r«-3iunl l_risntf«
團刮回 旦色 创剑暨 旦乞盘
g!
坠捌團旦
jg|y|
列基
1
创劃
汐 &
I hT
:
L WI ■ I
号
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:
I
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亦
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;
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ii
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■
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卽
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即呻
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前
I
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士
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弧>*—** 血
rtfwg!|
(2
)模型在
TT
、
FF
、
FS SF
、
SS
情况下的
GWB
■Lrj^r Ar >KKHB - . lij T>.
』曲■学氐二皿-|
W
[匸*^由
211
匕"
1
豳■土州曲比处血川血、血如丰寸」薛
SFIC E DpMti
讥刃血
2K H1
9
BOH amlx
anlx
(
3
)模型在
TT
、
FF
、
FS SF
、
SS
情况下的相位裕度
F
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T
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