數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組：基于Hspice的二級運(yùn)放設(shè)計(jì)與仿真

1、Page 1數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組基于Hspice的二級運(yùn)放設(shè)計(jì)與仿真Page 2數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組內(nèi)容H-SPICE安裝注意事項(xiàng)H-SPICE操作流程AvanWaves使用實(shí)例講解與演示Page 3數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組內(nèi)容H-SPICE安裝注意事項(xiàng)H-SPICE操作流程AvanWaves使用實(shí)例講解與演示Page 4數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組開始前H-SPICE不要安裝在中文目錄下任何H-SPICE需要調(diào)用的文件都不要放在中文目錄下網(wǎng)表文件第一行為標(biāo)題行用戶在H-SPICE中對電路的描述不同于CadencePage 5數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組內(nèi)容H-SPICE安裝注意事項(xiàng)H-SPICE操作流程AvanWaves

2、使用實(shí)例講解與演示Page 6數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Page 7數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組Page 8數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Page 9數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Simulate：仿真完成后網(wǎng)表文件即可以編輯Page 10數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組Edit LL：Page 11數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組仿真結(jié)果觀察：AvanWavesPage 12數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組內(nèi)容H-SPICE安裝注意事項(xiàng)H-SPICE操作流程AvanWaves使用實(shí)例講解與演示Page 13數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Open：每次只能open一個.sp文檔Page 14數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組波形選擇：Page 15數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組顯示波形：Page 16數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課

3、題組顯示波形2： 或通過panels操作Page 17數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組顯示背景反色：Page 18數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組顯示線條顏色自定義：Page 19數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組內(nèi)容H-SPICE安裝注意事項(xiàng)H-SPICE操作流程AvanWaves使用實(shí)例講解與演示Page 20數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組電源電壓 03.3V共模輸入電壓固定在（VDD+VSS）/2開環(huán)直流增益 80dB單位增益帶寬 30MHz相位裕度 60 degree轉(zhuǎn)換速率 30 V/s靜態(tài)功耗（電流） 1mA負(fù)載電容=3pfLab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)Page 21數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組 圖1 兩級運(yùn)放因?yàn)?/p>

4、兩級放大器存在穩(wěn)定性方面的問題，所以圖中Cc即時采用的密勒電容，起到補(bǔ)償效果。Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組一、設(shè)計(jì)目的與指標(biāo)本次實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)一兩級放大器，研究MOS管尺寸、密勒電容Cc對放大器指標(biāo)的影響。加深對兩級放大器中引入的補(bǔ)償概念的理解。學(xué)會對放大器性能的模擬、測量并進(jìn)行優(yōu)化。工藝選取：CSMC 0.35um工藝參數(shù)類型toxVT/VK（A/V2）NMOS1.32e-080.5041.057e-04PMOS1.24e-08-0.660.611e-04Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組二、原理分析Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組

5、Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組三、參數(shù)設(shè)計(jì)Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組名稱W(m)/L(m)M1，M230/1M3，M424/2M5，M814/1M6150/1M787/1R=3k，Cc=1pF，CL=3pF表3 電路晶體管參數(shù)選取Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組四、仿真分析 在共模輸入為2.5V的情況進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)仿真，并對VINN端和VINP端輸入DC信號，掃描范圍為2.45V-2.55V,步長設(shè)置為0.001V，觀察輸出波形變化。下圖2為DC仿真的網(wǎng)表文件：圖2 DC仿真的網(wǎng)表文件Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題

6、組具體的靜態(tài)工作點(diǎn)如圖3所示： 圖3 DC仿真晶體管靜態(tài)參數(shù)Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組圖4 DC仿真波形根據(jù)直流仿真可以看出各管均工作在飽和區(qū)滿足要求，同時gm1和gm7與預(yù)設(shè)的數(shù)值有一定差距，由于分析的時候忽略了次級效應(yīng)，仿真值均比預(yù)設(shè)小，但依然滿足要求。同時，三條支路的電流id綜合，遠(yuǎn)小于1mA,即在靜態(tài)功耗方面也已達(dá)到要求。再觀察仿真的波形是否能滿足條件，仿真結(jié)果見圖4. 可以看出輸入范圍在2.45V-2.55V，當(dāng)輸入2.5V時斜率最大，跨導(dǎo)最大Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組交流仿真圖5 AC網(wǎng)表建立Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組圖6 AC仿真波形可以

7、發(fā)現(xiàn)，該增益沒有達(dá)到要求，且相位裕度還不夠，因此，保持M3、M4管的寬長比例不變，增加L，以此來提高第一級輸出阻抗，進(jìn)而提高增益。并將M1、M2的寬長比適當(dāng)調(diào)大，提高GBW。其中帶寬和相位裕度不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且與理論分析有一定差距，我們下面分析主要原因。Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組圖7、零極點(diǎn)分布觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，次級點(diǎn)P2為41MHZ，與理論設(shè)計(jì)的大于2倍的GBW即60MHZ有一定差距（這是由于計(jì)算時忽略了分母的CC項(xiàng)），這是造成帶寬和相位裕度不足的主要原因，此時我們可以繼續(xù)調(diào)節(jié)gm增大P2極點(diǎn)，或者減小零點(diǎn)，從而抵消P2的影響。Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)模混合設(shè)計(jì)課題組選擇改

8、變零點(diǎn)提高帶寬，通過增大R減小零點(diǎn)， 經(jīng)仿真，R=3K時滿足要求,重新仿真，得到圖8的波形圖8 AC仿真圖形觀察波形，此時的相位裕度為60.1，滿足要求。查看AC的參數(shù)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)增益為81.86dB，單位增益帶寬GBW為32.18MHz滿足要求。再進(jìn)行零極點(diǎn)分析，此時次極點(diǎn)約為單位增益帶寬GBW的2倍。而零點(diǎn)與極點(diǎn)較為接近，所以能夠?qū)ο辔辉６鹊奶嵘哂兄匾饔?。Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組圖9 AC仿真參數(shù)Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組轉(zhuǎn)換速率分析：運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率試分析大信號作用下的反應(yīng)速度。仿真轉(zhuǎn)換速度可將運(yùn)放的輸出端和反相輸入端相連構(gòu)成單位增益結(jié)構(gòu)。運(yùn)放同相端

9、輸入23V的階躍信號，觀察波形如圖10所示，通過增加measure語句檢測出上升曲線10%和90%，即2.1V和2.9V對應(yīng)時間分別為22.3ns和51.9ns。運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率為SR=（2.9-2.1）/（51.9-22.3）=28。78V/s，基本滿足。圖10 瞬態(tài)仿真擺率Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組運(yùn)放仿真結(jié)果與指標(biāo)對比：經(jīng)過仿真后可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果除轉(zhuǎn)換速率略小于指標(biāo)，其余均滿足指標(biāo)要求，但與計(jì)算值還有一定差距，主要是由于手工計(jì)算只是一種估算，忽略了很多高階效應(yīng)，因此需要靠仿真結(jié)果確定具體參數(shù)值。表3、仿真與指標(biāo)對比仿真指標(biāo)電源電壓3.3V03.3V共模輸入電壓2.5V（VDD

10、+VSS）/2開環(huán)直流增益81.9dB80dB單位增益帶寬32.2MHz30MHz相位裕度60.1degree60 degree轉(zhuǎn)換速率28.7V/s30 V/s靜態(tài)功耗258A1mA負(fù)載電容3pf=3pfLab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組共模抑制比（CMRR）對于運(yùn)放共模抑制比，有：CMRR=|Adm/Acm|兩種操作方法：1、根據(jù)公式進(jìn)行仿真 2、分析后將CMRR表示成第一級的共模抑制比Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)Hspice自帶的計(jì)算器數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì).print ac vDB(vout1) vDB(vout2)用Hspice自帶的計(jì)算器可以算出CMRR數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組Lab2：兩級運(yùn)放設(shè)計(jì)輸入公式數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)課題組電源抑制比（PSRR）對于運(yùn)放的電源抑制比，定義為：PSRR=Adm/A，即差模增益除以電源增益PSRR越高越好，以減小電源對輸出