簡單跨導放大器分析——HSPICE分析實例電路與網表指標分析偏置電流與功耗、開環增益、GBW與相位裕度、壓擺率、SwingRange、失調、噪聲、工藝corner分析、溫度特性分析等v_vpvdd05v

r_rzvo1n_0001rzvc_ccn_0001voccvc_cl0voclvc_cb0vb10pr_rbvbvdd100km_u2vo1vipn_00020nenhl=0.6uw=12um=2m_m1n_0003n_0003vddvddpenhl=2uw=12um=2m_m3vovo1vddvddpenhl=0.6uw=12um=8m_u1n_0003vinn_00020nenhl=0.6uw=12um=2m_u4vovb00nenhl=5uw=12um=8m_u5vbvb00nenhl=5uw=12um=1m_u3n_0002vb00nenhl=5uw=12um=4m_m2vo1n_0003vddvddpenhl=2uw=12um=2存在文件中工作點分析瀏覽并分析.lis文件的內容.prot與.unprot使用將使得其中的內容不在.lis中出現用oper查找，即可找到operatingpointinformation這一段，可看到電路各節點的電壓、各元件的工作狀態注意此時vo=4.8967對于提供電源的電壓源v_vp，注意其功耗就是電路功耗，因此可查得電路功耗為2.3596mW對于MOS管，注意各參量的含義：region、id、vgs、vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds……可查得流過M_U3的偏置電流為140uA，并注意到M_M3的region為Linear2、直流掃描分析(otas2.sp)Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’V_Vacvin0DC2.5VAC1V0V_Vdcvip02.5V.printdcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.452.550.001.end粗掃直流掃描分析vovo1dvo對vo求導小信號增益Gain=d(vo)/d(v_vdc)確定精掃掃描范圍直流掃描分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’V_Vacvin0DC2.5VAC1V0V_Vdcvip02.5V.printdcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.4842.4940.0001.end精掃直流掃描分析對于增益要求G0，存在對應的輸出swingrange，若用小信號增益gain>G0作為swingrange，則一定滿足增益要求例如G0=300，則根據下圖其swingrange(0.574,4.194)若取輸出中心電壓為vdd/2，而令vo=vdd/2時，可測得此時v_dc=2.4876V故ota的系統失調：Vos=12.4mV3.交流掃描分析(otas3.sp)Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).opV_Vacvin0DC2.5VAC1V0V_Vdcvip02.4876V.acdec101k1g$sweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end表示沒有補償電阻Rz交流掃描分析GBW=99.5MHz相位裕度18.7度直流small-signalgain交流掃描分析單位增益帶寬GBW

gm1/(Cc+CGD3)主極點

p11/[Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)]第二極點

p2gm3/(CL+Co)零點z1/[(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)]查看.lis文件可知gm32mgm10.83mgm1b0.13m由于零點的作用，相位裕度從60多度減小至39度！gm1為輸入管M_U1的跨導gm3為第二級輸入管M_M3的跨導交流掃描分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweepccv05p1p.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析miller補償效應交流掃描分析增加Cc，

p1向下移動，GBW減小相位裕度增加增加Cc到5p時，相位裕度增加到約59度，而GBW已經減小到24.8MHz!交流掃描分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析零極點抵消效果加Rz，可減弱零點的作用，提高相位裕度；當達到零極點抵消時，應滿足：Rz(CL+Cc)/(gm3Cc)得出Rz1k交流掃描分析Rz增加到0.6k時，相位裕度增加到約55度，GBW約76MHzRz增加到1k時，相位裕度增加到約67度，GBW約103MHz4.噪聲分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500meg$sweeprzv02k

0.2k.noisev(vo)v_vac10

.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析熱噪聲噪聲分析.lis文件中會給出每一個頻率采樣點上的噪聲頻譜密度，以及從開始頻率到該頻率點的等效噪聲電壓等找到如下一段：****theresultsofthesqrtofintegral(v**2/freq)fromfstartupto100.0000xhz.usingmorefreqpointsresultsinmoreaccuratetotalnoisevalues.****totaloutputnoisevoltage=2.5009mvolts****totalequivalentinputnoise=64.7944u

注意.lis文件中各個MOS元件的噪聲大小對比，并根據電路圖進行對應的分析還可以改變Cc的值，來看總的等效輸入噪聲有什么變化5.失調分析系統失調之外的失調主要來源：輸入差分對u1和u2、電流鏡m1和m2的失配U1,u2電壓失調為：M1,m2帶來的失調為：ΔVt,ΔW為元件間的閾值電壓和跨導之差失調分析晶體管隨機失配在良好的版圖設計條件下閾值電壓(mV)柵寬(u)均與柵面積的平方根成反比NMOS:tox=1.25e-08+toxnPMOS:tox=1.3e-08+toxptoxn,toxp的值與model的corner有關，在tt情況下，toxn=toxp=0根據類似工藝的一個估計值tox的單位為e-10在MOS晶體管的參數中考慮失配例：原有的W=30u,M=8修改為W=‘30u+30u*0.04u*alfa/sqrt(2*30um*5um)’M=8delvto=‘12.5n*alfa/sqrt(2*30um*5um)’這里alfa為(0,1)高斯分布變量依次將網表的內容按照上面的方法修改失調分析失調分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001sweepmonte=30*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1palfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end用monte-carlo仿真來分析失配導致的失調分布失調分析30次monte-carlo仿真結果由此可見ota的失調分布可達(-10mV~10mV)可增大晶體管來減小Vos，但是會帶來速度問題6.壓擺率分析在輸入端輸入一個較大的脈沖信號，以觀察輸出端的電壓擺率V_vac的定義換成：V_vpulsevin0PULSE2320ns0.1n0.1n100n200n壓擺率分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probetranv(vo1)v(vo).op*.dcv_vdc2.452.510.001sweepmonte=30.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end用瞬態仿真來分析ota輸出slewrate壓擺率分析壓擺率仿真結果由右圖可測得ota的上升和下降壓擺率分別為141V/us和131V/usProblem:在電路圖中如何分析上升和下降壓擺率？將結果與仿真結果進行對比7.模型corner仿真V_vpulse的定義換回來：V_Vacvin0DC2.5VAC1V0模型corner仿真Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001$sweepmonte=30*.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg

$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end做DC掃描，分析各種corner下的增益和失調的變化模型corner仿真在.end前插入.alter語句，如下：Otasimulation…….alter.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’ff.alter.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’fs.alter.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’sf.alter.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’ss.end模型corner仿真ttttfffffsfssfsfssssFf時增益最小，ss時增益最大Vo=vdd/2分別對應于V_vdc為：2.48762.48142.48612.48812.4912模型corner仿真Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.452.510.0001$sweepmonte=30*.trans0.1ns1000ns.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end知道了各種corner下的失調后，就可以設置V_vdc做AC掃描，分析各種corner下的增益和GBW的變化模型corner仿真…….alterV_Vdcvip02.4814V.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib

'ff.alterV_Vdcvip02.4861V.lib’LIB_PATH\cz6h_v28.lib

'fs.alterV_Vdcvip02.4881V.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib

'sf.alterV_Vdcvip02.4912V.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib

'ss.end對于各種corner加入了對應的V_vdc定義模型corner仿真ffss模型corner仿真ffssffss模型corner仿真由仿真結果可測得：gainGBWPhasemargintt989103MHz67.2ff585122MHz75.9fs922108MHz64.8sf93997.9MHz71.2ss1.46k87.4MHz62.48.溫度分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001

sweeptemp010020*.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end做溫度掃描，分析各種溫度下增益和失調的變化溫度分析溫度變化對系統失調和增益的影響00100100Vo=vdd/2分別對應于V_vdc為：2.48822.48772.48732.48682.48632.4858溫度分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\cz6h_v28.lib’tt.unprot