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1、LOGOPage 1数模混合设计课题组数模混合设计课题组基于基于Hspice的二级运放的二级运放设计与仿真设计与仿真报告人：许其罗报告人：许其罗2015-03-24LOGOPage 2数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-SPICE安装注意事项安装注意事项nH-SPICE操作流程操作流程nAvanWaves使用使用n实例讲解与演示实例讲解与演示LOGOPage 3数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-SPICE安装注意事项安装注意事项nH-SPICE操作流程操作流程nAvanWaves使用使用n实例讲解与演示实例讲解与演示LOGOPage 4数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-S
2、PICE不要安装在中文目录下不要安装在中文目录下n任何任何H-SPICE需要调用的文件都不要放在中文目录下需要调用的文件都不要放在中文目录下n网表文件第一行为标题行网表文件第一行为标题行n用户在用户在H-SPICE中对电路的描述不同于中对电路的描述不同于CadenceLOGOPage 5数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-SPICE安装注意事项安装注意事项nH-SPICE操作流程操作流程nAvanWaves使用使用n实例讲解与演示实例讲解与演示LOGOPage 6数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGOPage 7数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGOPage 8数模混合设计课
3、题组数模混合设计课题组LOGOPage 9数模混合设计课题组数模混合设计课题组nSimulate：仿真完成后网表文件即可以编辑仿真完成后网表文件即可以编辑LOGOPage 10数模混合设计课题组数模混合设计课题组nEdit LL：LOGOPage 11数模混合设计课题组数模混合设计课题组n仿真结果观察：仿真结果观察：AvanWavesAvanWavesLOGOPage 12数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-SPICE安装注意事项安装注意事项nH-SPICE操作流程操作流程nAvanWaves使用使用n实例讲解与演示实例讲解与演示LOGOPage 13数模混合设计课题组数模混合设计课题组
4、nOpen：每次只能每次只能openopen一个一个.sp.sp文档文档LOGOPage 14数模混合设计课题组数模混合设计课题组n波形选择：LOGOPage 15数模混合设计课题组数模混合设计课题组n显示波形：LOGOPage 16数模混合设计课题组数模混合设计课题组n显示波形2：或通过panels操作LOGOPage 17数模混合设计课题组数模混合设计课题组n显示背景反色：LOGOPage 18数模混合设计课题组数模混合设计课题组n显示线条条颜色自定义：LOGOPage 19数模混合设计课题组数模混合设计课题组nH-SPICE安装注意事项安装注意事项nH-SPICE操作流程操作流程nAva
5、nWaves使用使用n实例讲解与演示实例讲解与演示LOGOPage 20数模混合设计课题组数模混合设计课题组n0.50.5 m CMOSm CMOS工艺工艺n指标指标nVDD=5V CL=10pf Iref=100AnAV=35 G.B.=9MHzn要求要求n原理分析原理分析n工作点选取工作点选取nHSPICE直流特性仿真直流特性仿真nHSPICE交流特性仿真交流特性仿真LOGOPage 21数模混合设计课题组数模混合设计课题组一、直流分析：一、直流分析：LOGOPage 22数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGOPage 23数模混合设计课题组数模混合设计课题组二、交流分析：二、交流分
6、析：LOGOPage 24数模混合设计课题组数模混合设计课题组三、仿真调试：三、仿真调试：LOGOPage 25数模混合设计课题组数模混合设计课题组电源电压 05V共模输入电压固定在（VDD+VSS）/2开环直流增益 80dB单位增益带宽 30MHz相位裕度 60 degree转换速率 30 V/s静态功耗（电流）1mA负载电容=3pfLOGOPage 26数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组图1两级运放因为两级放大器存在稳定性方面的问题，所以图中Cc即时采用的密勒电容，起到补偿效果。LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组一、设计目的与指标一、
7、设计目的与指标本次实训设计一两级放大器，研究MOS管尺寸、密勒电容Cc对放大器指标的影响。加深对两级放大器中引入的补偿概念的理解。学会对放大器性能的模拟、测量并进行优化。工艺选取：CSMC 0.5um工艺参数类型toxVT/VK（A/V2）NMOS1.32e-080.5041.057e-04PMOS1.24e-08-0.660.611e-04LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组二、原理分析二、原理分析LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组三、参数设计三、参数设计LOGO数模混合设计课题组数模混
8、合设计课题组LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组名称W(m)/L(m)M1，M230/1M3，M424/2M5，M814/1M6150/1M787/1R=3k，Cc=1pF，CL=3pF表3 电路晶体管参数选取LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组四、仿真分析四、仿真分析 在共模输入为2.5V的情况进行静态工作点仿真，并对VINN端和VINP端输入DC信号，扫描范围为2.45V-2.55V,步长设置为0.001V，观察输出波形变化。下图2为DC仿真的网表文件：图2 DC仿真的网表文件LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组具体的静态工作点如图3所示：图3DC仿真晶体管静态参数
9、LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组图4DC仿真波形根据直流仿真可以看出各管均工作在饱和区满足要求，同时gm1和gm7与预设的数值有一定差距，由于分析的时候忽略了次级效应，仿真值均比预设小，但依然满足要求。同时，三条支路的电流id综合，远小于1mA,即在静态功耗方面也已达到要求。再观察仿真的波形是否能满足条件，仿真结果见图4.可以看出输入范围在2.45V-2.55V，当输入2.5V时斜率最大，跨导最大LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组交流仿真交流仿真图5AC网表建立LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组图6AC仿真波形可以发现，该增益没有达到要求，且相位裕度还不够，因此
10、，保持M3、M4管的宽长比例不变，增加L，以此来提高第一级输出阻抗，进而提高增益。并将M1、M2的宽长比适当调大，提高GBW。其中带宽和相位裕度不满足设计指标要求，且与理论分析有一定差距，我们下面分析主要原因。LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组图7、零极点分布观察图7可以发现，次级点P2为41MHZ，与理论设计的大于2倍的GBW即60MHZ有一定差距（这是由于计算时忽略了分母的CC项），这是造成带宽和相位裕度不足的主要原因，此时我们可以继续调节gm增大P2极点，或者减小零点，从而抵消P2的影响。LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组选择改变零点提高带宽，通过增大R减小零点，经仿
11、真，R=3K时满足要求,重新仿真，得到图8的波形图8 AC仿真图形观察波形，此时的相位裕度为60.1，满足要求。查看AC的参数，如图9所示，发现增益为81.86dB，单位增益带宽GBW为32.18MHz满足要求。再进行零极点分析，此时次极点约为单位增益带宽GBW的2倍。而零点与极点较为接近，所以能够对相位裕度的提升具有重要作用。LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组图9AC仿真参数LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组转换速率分析：转换速率分析：运放的转换速率试分析大信号作用下的反应速度。仿真转换速度可将运放的输出端和反相输入端相连构成单位增益结构。运放同相端输入23V的阶跃信号，
12、观察波形如图10所示，通过增加measure语句检测出上升曲线10%和90%，即2.1V和2.9V对应时间分别为22.3ns和51.9ns。运放转换速率为SR=（2.9-2.1）/（51.9-22.3）=28。78V/s，基本满足。图10瞬态仿真摆率LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组运放仿真结果与指标对比：运放仿真结果与指标对比：经过仿真后可以发现，仿真结果除转换速率略小于指标，其余均满足指标要求，但与计算值还有一定差距，主要是由于手工计算只是一种估算，忽略了很多高阶效应，因此需要靠仿真结果确定具体参数值。表3、仿真与指标对比仿真指标电源电压5V05V共模输入电压2.5V（VDD+V
13、SS）/2开环直流增益81.9dB80dB单位增益带宽32.2MHz30MHz相位裕度60.1degree60degree转换速率28.7V/s30V/s静态功耗258A1mA负载电容3pf=3pfLOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组共模抑制比（共模抑制比（CMRR）对于运放共模抑制比，有：CMRR=|Adm/Acm|两种操作方法：1、根据公式进行仿真 2、分析后将CMRR表示成第一级的共模抑制比LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组Hspice自带的计算器LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组.printacvDB(vout1)vDB(vout2)用Hspice自带的计算器可以算出CMRRLOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组输入公式LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组电源抑制比（电源抑制比（PSRR）对于运放的电源抑制比，定义为：PSRR=Adm/A，即差模增益除以电源增益PSRR越高越好，以减小电源对输出的影响。实际中，PSRR会随着频率的增加而下降。LOGO数模混合设计课题组数模混合设计课题组用Hspice自带的计算器可以算出PSRR.printacvDB(vout1)vDB(vout2)LOGO第二次作业n设计一个二级放大器，其主要指标如下注可以采用mill补偿运放，加零点补偿运放、cascode运放等形式