运算放大器参数的基本仿真方法示例(2nd edition)

刘泰源，LTC1733 GROUP ROOM 237，SOC DESIGN CENTRE

目的：仿真一个两级的运放，熟悉模拟电路仿真软件的使用。 采用软件：workview ,hspice 2005.03

工艺库的说明：采用韩国MagnaChip 0.5umCMOS工艺库

对所采用电路描述：首先在workview中生成一个两级的运算放大器，并导出网表，第一级是差分的输入放大器，其作用是放大差模信号，抑制共模信号，第二级是一个共源放大器，提供更大的增益。在第一级里，m1、m2为差动输入管，m5提供由基准电压产生的偏置电流，m3、m4两管是一对电流镜，保证m3,m4两管为两个输入端提供相等的电流。第二级m8是负载管，m7是倒相器的输入管。

主要仿真的运算放大器特性：

增益，增益带宽，建立时间，摆率，ICMR，CMRR，PSRR，输出摆幅，失调电压 运放电路结构图：

图1运放电路

静态工作点的调节在整个模拟电路的设计中是非常重要的，因为不同功能的模块对器件的工作状态有不同的要求，在电路设计初期确定下的管子的工作状态就在这个阶段与以实现。实现的语句在hspice里面是.op语句。这个语句会在仿真生成的.lis文件里面形成一个关于管子工作状态的理解，查找.lis文件中的region关键字，就能找到各个管子工作点的列表。 静态工作点的调节：

采用的方法，先设计第一级的的工作点，再设计第二级的工作点。

第一级工作点设计要求五个管子都工作在饱和区，并且保证电路的对称，在vcc，in1,in2和bias上要加上适当的偏置电压。我设定的bias为1.5v，in1=in2=2.5v，这个时候要注意调节各管子的宽长比使管子达到饱和，如果m3,m4是线形区，则应该调节减小m3,m4的宽长比，同时通过增加m5的宽长比增大偏置电流，如果m5处于线形区，则应该采取与上面所说的相反的方法，如果输入管处于线形区，要考虑输入的偏置电压是否合适，同时折中上面的调节方法。

在调整第一级进入管子都饱和后，加上第二级一起调整，目的是使两级的管子都进入饱和区，这里遇到的一个问题，就是第二级的两个管子很难同时到达饱和区，发现问题在于m3,m4管的vds太小，使第二级的m7管只能在线形区，减小m3,m4的宽长比和调节m5的偏置电流后，可以使两管都饱和。 在整个过程中，都需要保持偏置管和电流镜对管的对称性。

NOTE：（上述调节过程仅是一个参考，实际电路中BIAS电流不可能这么精确，所以，在实际情况中，调试电路的中的偏置电压更多的由实际偏置电路提供。） 1．开环增益：

1）输入差模信号，调节使各晶体管的工作点都处在饱和区，在输入端in1加入交流信号，in2加上偏置信号。 2）输入激励： vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.2 vin1 in1 0 2.5 vin2 in2 0 2.5 ac 1

.ac dec 10 1 1200meg

图2：开环增益的输入激励

3）仿真结果：

图3：开环增益图

2．频率响应和相位裕度：

1）频率响应和相位裕度反映了运放正常工作的范围和工作的稳定性，相位

裕度至少大于45度。可以看见通过增加弥勒电容和弥勒电阻的频率补偿回路，电路的相位裕度达到了要求。 2）输入激励： vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.2 vin1 in1 0 2.5

vin2 in2 0 2.5 ac 1 .ac dec 10 1 1200meg

图4：频率响应仿真激励

3）仿真结果：

在增加补偿回路前，在增益低至0前，相位已经超过-180度，工作不稳定。

图5：补偿前的频率响应

加入补偿后，相位裕度已经超过60度，运放可以稳定工作。

图6：补偿后的频率响应图

3.输入失调电压

1）由于运放的电路不对称和工艺制造的误差造成的输出电压为0时，输入in1,in2有一个小的失调电压。而对于单端输出运放来说，根据GRAY对单端输出的运放输入失调电压的界定：当vout=vcc/2时，两个输入输出端的电压的差值。本仿真就是采用GRAY的界定。

2）仿真方法：使负端接直流偏置，正端在偏置电压附近做直流扫描，在-40度到120度的范围内，取vout=vcc/2 的点，得到不同温度下的失调电压。仿真失调电压不一定要仿真随温度的变化，也可以仿真随电源电压的变化，也可以单取一点，而不做曲线。另外一种可选的方法就是把电路连接成单位增益形式，然后再从正端做稍描，看vout输出曲线和输入之间平行段的垂直电压差值。这个方法不甚严密，但是也可以仿真出和上面一种方法相近似的结果。 vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.5 .temp xp vin1 in1 0 2.5 vin2 in2 0

.DC VIN2 2.3V 2.7V 0.1m sweep xp -40 125 1 .MEAS DC Y1 WHEN V(OUT2)=par('V(Vcc)/2') .MEAS DC VOS param='Y1-V(IN1)' .end

图7 offset 仿真激励

3）结果分析

图8 失调电压

由于在偏置管是直接加的一个直流偏置，而在实际的工作中，偏置电压是由基准模块提供的，此电压会随着温度和vcc的变化而变化，所以在实际的工作中失调电压会比这次的值更大一些。

NOTE：实际的失调电压是没有办法从仿真中获得的，上面仿真出来的大多是系统失调电压，这个数值一般从uV级到mV级之间，现在在工程上有一种模拟仿真系统失调电压的方法，就是把运放的输入对管分别向相反方向改变最小线宽长度，比如说有一运放，其输入对管为M1，M2， W/L=10/5 M=5 ，那么在仿真

的时候可以做可以的拉偏处理，使（W/L）M1= 9.5/5 M=5 ，（W/L）M2=10.5/5 M=5 ，再反向拉偏，就可以得到两组模拟实际情况的失调电压值。注意，这里只是模拟，不是实际的失调电压。

4.共模输入电压范围和共模输出电压范围

1） 共模输入范围是指运放正常工作时输入电压的范围，如果过高会造成连接

vcc的m3,m4进入线形区，同理，如果输入电压过低，会造成连接gnd的m5进入线形区。输出范围是指在输入的激励下，输出电压可以达到的摆幅。 2） 激励：仿真是通过对运放进行单位增益连接实现，共模输入正常工作范围

内，输入和输出电压基本相等，并且电流镜的偏置电流在共模输入范围内应该保持一个大致恒定的值。

图9 共模输入输出仿真激励图

vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.2 vin2 in2 0 2.5 .dc vin2 -2 5 0.1 .print v(*) i(*)

3） 仿真结果：

从图中可以看出，闭环条件下，满足上述条件的共模输入和输出电压范围在1.6v到4.4v之间。

图10 共模输入输出电压范围

5.共模增益

1）共模信号的放大系数，因为运放需要抑制共模信号，所以此增益越小越好。 2）激励：

把in1和in2连接到一起，加上交流信号。 vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.2 vin2 in2 0 2.5 ac 1 .ac dec 10 1 200meg .print ac vdb(*) .print v(*) i(*)

图11 共模输入增益的激励

4） 仿真结果：

图12：共模增益

4）共模增益的抑制和改进

如上图所示，共模增益在低频的时候接近10分贝，这样电路抑制共模信号的能力是比较差的，所以要通过增加输入管的宽长比的方法，这样会使对共模信号的抑制能力增强。

图12：改进后的共模增益图

6.共模抑制比

1）反映对输入噪声的抑制能力，是差模的增益除共模增益的值，此值越大越好。

2）激励： vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.5 vin1 in1 out2 0 ac 1

vin2 in2 0 2.5 ac 1 .ac dec 10 1 200meg .print ac vdb(*)

图13，共模抑制比激励图

4）仿真结果和分析改进

图14，共模抑制比

最初仿真出来的共模抑制比比较小，这里做了两个改进，一，如上面说的，调节了输入管减小了共模的增益，第二，根据共模抑制比的计算公式分析，要加大抑制比，还需要增加m3,m4的等效电阻和减小m5的等效电阻值，这个需要调

节第一级的各管的宽长比实现，并且在调节过程中，要注意保证各管的静态工作点仍然在饱和区。

7.电源抑制比

1）反映电路对电源噪声的抑制能力，对vcc和gnd分别有psrr+和psrr-。 2）仿真激励 vcc vcc 0 5 ac 1 vbias bias 0 1.5 vin2 in2 0 2.5 .ac dec 10 1 1200meg .print ac vdb(*)

图15：Psrr=+仿真激励图

3）仿真结果

图16：Psrr+仿真

可见电路对电源抑制达到了90分贝。 8.摆率和建立时间

1）摆率反映的是大信号的参数，是反映输出电压变换的速率的限制。建立时间：是运放受到小信号激励时达到输出的稳定值所需要的时间。在仿真时，需要在输出节点接入实际的负载电容Cload，这个电容需要利用仿真的LIS文件out节点的实际电容来估算。 2）仿真激励： vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.5

vplus in2 0 pwl 1n 0 10n 0 11n 2 500n 2 501n 0 .tran 2n 700n .print v(*) i(*)

图17 摆率和建立时间仿真激励

3）仿真结果和讨论

图18 SLEW RATE AND SETUP TIME

建立时间为70ns，摆率为2.4e7v/s。 9环路增益

1）这是反映电路的反馈性能的参数，当环路增益较大时，电路进入深度负反馈。 2）仿真激励：如图所示，out2的直流分量通过反馈回路的电阻送回运放的负输入端。而测试的交流信号通过r3加入到反馈回路，最后观察out2点的电压增益。 vcc vcc 0 5 vbias bias 0 1.5 vin2 in2 0 2.5 vin2 in2 0 2.5 vin a 0 3 ac -1 .ac dec 10 1 1200meg .print ac vdb(*) .print v(*) i(*)

图19仿真激励图

3）仿真结果；

图20 环路增益仿真结果

环路增益大于90分贝，可以判断电路可以进入深度负反馈。

仿真中还有一个重要的问题就是工艺角仿真问题，这个将在第三版中叙述。