1、CMOS模擬集成電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)課7 全差分運(yùn)放的仿真方法目標(biāo)：1、了解全差分運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)2、掌握全差分運(yùn)放各項(xiàng)指標(biāo)的仿真方法,對(duì)全差分運(yùn)放的各指標(biāo)進(jìn)行仿真，給出各指標(biāo)的仿真結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)課使用的全差分運(yùn)放首先分析此電路圖，全差分運(yùn)算放大器是一種具有差分輸入，差分輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器。其相對(duì)于單端輸出的放大器具有一些優(yōu)勢(shì)：因?yàn)楫?dāng)前的工藝尺寸在減少，所以供電的電源電壓越來(lái)越小，所以在供電電壓很小的情況下，單端輸出很難理想工作，為了電路有很大的信號(hào)擺幅，采用類(lèi)似上圖的全差分運(yùn)算放大器，其主要由主放大器和共模反饋環(huán)路組成。1、 開(kāi)環(huán)增益的仿真得到的仿真圖為1.開(kāi)環(huán)增益： 首先開(kāi)環(huán)增益計(jì)算方法是低頻

2、工作時(shí)(<200Hz) ，運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；通過(guò)仿真圖截點(diǎn)可知增益為73.3db。2.增益帶寬積：隨著頻率的增大，A0會(huì)開(kāi)始下降，A0下降至0dB 時(shí)的頻率即為GBW，所以截取其對(duì)應(yīng)增益為0的點(diǎn)即可得到其增益帶寬積為1.03GB。3.相位裕度：其計(jì)算方法為增益為0的時(shí)候?qū)?yīng)的VP的縱坐標(biāo)，如圖即為-118，則其相位裕度為-118+180=62，而為保證運(yùn)放工作的穩(wěn)定性，當(dāng)增益下降到0dB 時(shí)，相位的移動(dòng)應(yīng)小于180 度，一般取余量應(yīng)大于60度，即相位的移動(dòng)應(yīng)小于120 度；所以得到的符合要求。在做以上仿真的時(shí)候，關(guān)鍵步驟在于設(shè)定VCMFB，為了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在

3、不停地改變VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的變化，后來(lái)發(fā)現(xiàn)增益還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，只有精確到小數(shù)點(diǎn)后4為到5位才能得到大增益。2. CMRR 的仿真分析此題可得共模抑制比定義為差分增益和共模增益的比值，它反映了一個(gè)放大器對(duì)于共模信號(hào)和共模噪聲的抑制能力。因此需要仿真共模增益和差分增益。可以利用兩個(gè)放大器，一個(gè)連成共模放大，一個(gè)連成差模放大，用圖1仿真差分增益圖1用圖2仿真共模增益圖2將兩個(gè)仿真寫(xiě)在一個(gè)sp文件中可以得到如下結(jié)果：相角仿真因?yàn)镃MRR 的相角為=Vp(Vop,Von)-Vp(Vo p)黃色的為Vp(Vo p)，紅色的為Vp(Vop,Von)，兩者相減，得到CMR

4、R 的相角的仿真圖為，其中藍(lán)線為CMRR的相角仿真圖，其它兩條為上面的線，將它們放在一起對(duì)比：CMRR的幅度仿真其CMRR 的幅值為=Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop)，藍(lán)線為Vdb(Vop,Von)，粉線為Vdb(Vop)，兩者相減得到綠線，即為CMRR的幅值特性曲線截取其在100HZ之前的增益值可得低頻時(shí)增益為49.1db。3.PSRR 的仿真分析可得，共模抑制比定義為放大器的差分增益和電源到輸出的增益的比值，它放映了放大器對(duì)電源和地噪聲的抑制能力。此時(shí)，同樣使用兩個(gè)放大器電路，一個(gè)仿真電源到輸出的增益，一個(gè)測(cè)試放大器的差分增益。電路的信號(hào)激勵(lì)和CMRR中設(shè)置的一樣，所不同的是在仿

5、真共模信號(hào)的圖中的直流信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是VDD，交流信號(hào)最為輸入小信號(hào)加在輸入端，即為如下圖：按照上述步驟進(jìn)行仿真可得幅度仿真圖為PSRR的幅值=Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop)，其中藍(lán)線為Vdb(Vop,Von)，粉線為Vdb(Vop)，兩者相減即可得PSRR的幅值的曲線，即為綠線。則由上面的仿真圖截點(diǎn)可得其PSRR的幅值低頻增益為43.6。可得相角仿真圖為PSRR的相角為=Vp(Vop,Von)-Vp(Vop)，其中最上面的線為Vp(Vop)，中間紫色的線為Vp(Vop,Von)，最下面的黃線即為PSRR的相角的變化曲線4. 輸出阻抗的分析得到仿真圖為首先，輸出阻抗是指運(yùn)放閉環(huán)應(yīng)用時(shí)

6、的輸出阻抗，如果把閉環(huán)系統(tǒng)作為一個(gè)電壓源來(lái)看，則輸出阻抗即為該電壓源的源電阻。由圖像可得點(diǎn)，將此點(diǎn)轉(zhuǎn)為電壓并與設(shè)定的電流相除即可得到電阻，由此得到輸出阻抗為794K。5轉(zhuǎn)換速率仿真首先，轉(zhuǎn)換速率表示大信號(hào)工作時(shí)運(yùn)放性能的一個(gè)重要參數(shù)，是運(yùn)放輸出電壓對(duì)時(shí)間的變化率。然后觀察圖像，其中紅色的線為V(outm)，黃色的為V（outp），則通過(guò)截點(diǎn)可計(jì)算V（outp）SR為0.109 V/N S , V(outm)SR為0.063 V/N S。源代碼：-.TITLE7-1.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14

7、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)*M1 4

8、 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM2 10 9 4 8 PMOS W=195U L=500NM3 10 12 13 0 NMOS W=55U L=500NM4 13 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM5 11 9 6 8 PMOS W=195U L=500NM6 6 5 2 0 NMOS W=224U L=500NM7 4 3 2 0 NMOS W=224U L=500NM8 11 12 14 0 NMOS W=56U L=500NM9 14 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM10 2 1 0 0 NMOS W=50U L=500NM11 18

9、 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM12 7 7 8 8 PMOS W=15U L=500NM13 16 7 8 8 PMOS W=8U L=500NM14 9 9 8 8 PMOS W=1.9U L=500NM15 16 16 12 0 NMOS W=5U L=500NM16 6 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM17 9 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM18 15 12 17 0 NMOS W=5.6U L=500NM19 17 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM20 12 16 15 0 NMOS W=1.2U L=500NM2

10、1 19 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM22 20 20 18 0 NMOS W=5U L=500NM23 7 20 19 0 NMOS W=5U L=500N*VDD 8 0 3.3IDC 8 20 60UVCMFB 1 0 0.93581V1 21 22 AC 1E0 5 30 VCVS 21 22 0.5E1 3 30 VCVS 21 22 -0.5*VDC 30 0 2.2C1 10 0 1PCO 11 0 1P.AC DEC 100 1k 10G.OPTION ACOUT=0.OPTIONS POST ACCT PROBE.PROBE VDB(10 11) VP (

11、10 11).END.TITLE2.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+T

12、OX=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)*M1 4 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM2 10 9 4 8 PMOS W=195U L=500NM3 10 12 13 0 NMOS W=55U L=500NM4 13 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM5 11 9 6 8 PMOS W=195U L=500NM6 6 5 2 0 NMOS W=224U L=500NM7 4 3 2 0 NMOS W=224U L=500NM8 11 12 14 0

13、 NMOS W=56U L=500NM9 14 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM10 2 1 0 0 NMOS W=50U L=500NM11 18 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM12 7 7 8 8 PMOS W=15U L=500NM13 16 7 8 8 PMOS W=8U L=500NM14 9 9 8 8 PMOS W=1.9U L=500NM15 16 16 12 0 NMOS W=5U L=500NM16 6 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM17 9 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM18 15 12 17 0

14、NMOS W=5.6U L=500NM19 17 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM20 12 16 15 0 NMOS W=1.2U L=500NM21 19 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM22 20 20 18 0 NMOS W=5U L=500NM23 7 20 19 0 NMOS W=5U L=500N*VDD 8 0 3.3IDC 8 20 60UVCMFB 1 0 0.93581V1 3 30 AC 1VDC 30 0 2.2C1 10 0 1PSCO 11 0 1P.AC DEC 100 1K 10G.OPTION ACOUT=0.OPTIONS

15、POST ACCT PROBE.PROBE VDB(10 ) VP (11).END.TITLE3.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+1

16、4 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)*M1 4 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM2 10 9 4 8 PMOS W=195U L=500NM3 10 12 13 0 NMOS W=55U L=500NM4 13 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM5 11 9 6 8 PMOS W=195U L=500NM6 6 5 2 0 NMOS W=224U L=500NM7 4 3 2 0

17、 NMOS W=224U L=500NM8 11 12 14 0 NMOS W=56U L=500NM9 14 15 0 0 NMOS W=50U L=500NM10 2 1 0 0 NMOS W=50U L=500NM11 18 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM12 7 7 8 8 PMOS W=15U L=500NM13 16 7 8 8 PMOS W=8U L=500NM14 9 9 8 8 PMOS W=1.9U L=500NM15 16 16 12 0 NMOS W=5U L=500NM16 6 7 8 8 PMOS W=180U L=500NM17 9 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM18 15 12 17 0 NMOS W=5.6U L=500NM19 17 15 0 0 NMOS W=5U L=500NM20 12 16 15 0 NMOS W=1.2U L=500NM21 19 18 0 0 NMOS W=5U L=500NM22 2