西工大CMOS实验课7 全差分运放的仿真方法

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1、实验课 7 全差分运放的仿真方法目标：1、了解全差分运放的各项指标2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行 仿真，给出各指标的仿真结果。本次实验课使用的全差分运放113Ybios.*1Uaa fl=BuvdE-l.fiVbiOBcmfbMib Hix* rhtalL锄:VrcihFij苹昭BnHCFTWCH| *1-5EC.gr | J -EO.En1 .524u首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差 分输出结构的运算放大器。其相对于单端输出的放大器具有一些优 势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所 以在供电电压很小的情况下，单端输

2、出很难理想工作，为了电路有很 大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大 器和共模反馈环路组成。一、开环增益的仿真得到的仿真图为1、开环增益： 首先开环增益计算方法是低频工作时 (200Hz) ，运 放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为 69db。2、增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB时 的频率即为GBW,所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带 宽积为 1.03GB。3、相位裕度：其计算方法为增益为 0 的时候对应的 VP 的纵坐标， 如图即为-118，则其相位裕度为-119+180=61，而为保证运放工作的 稳定性，当增益下降到 0dB 时

3、，相位的移动应小于 180 度，一般取 余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要 求。在做以上仿真的时候，关键步骤，在于设定VCMFB，为了得到 大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB,最初只是 0.93,0.94,0.95 的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4 为到 5位才能得到大增益。2、CMRR 的仿真分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它 反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。因此需要仿 真共模增益和差分增益。可以利用两个放大器，一个连成共模放大， 一个连成差模放大，用下图仿真差分增益

4、用下图仿真共模增益将两个仿真写在一个sp文件中可以得到如下结果：相角仿真AvanTaves B-2008.09 (20080826)-m XDesi gri Fanels Window Measiire Confi gijiation Tools Helpxt| f阀s|圃a|蠟 罰v?|頻|于|写|沖|：|n/a y |n/a.title2Ido : acO: pp (10 1 Ido : acO ：口詣mo)18016010mlOOir.110ll：n：llk10klOOklx10kIOOmlglmFrequency CLog) (HERTZ)C iB PCMOS 实验报告樊.jgjhsp

5、ui - 608MODE0 Microsoft FowerF. . . awaves 0 FicFick 图像編辑器匿3 乜 19:05因为 CMRR 的相角为=Vp(Vop,Von)-Vp(Vo p)红色的为Vp(Vo p)，蓝色的为Vp(Vop,Von),两者相减，得到CMRR的相角的仿真图为，其中蓝线为CMRR的相角仿真图，其它两条为上面的线，将它们放在一起对比：U-TJ-psagI 19:11I AvanVaves B-2008.09 (20080826)口叵)冈1D e s i gri P ariel s Wi ridow Me asm e Con i gur a i on To o

6、l s Help崗伽倡1圃團馋1创刪瑕1钊写1沖1K |N/A V |H/A为了更清楚地观察，将频率范围缩小至0.001-1G,得到下图100A0:806040-60-200-220-28010m1010xlOOxlm200TWODEMi crosoft FowerF.开始 匚擔曹CMOE实验报告樊jgjhipui - 608AvanTaves B-2008.09 (20080826)Desi gri Fanels Window Measiire Confi gijiation Tools HelpXr|fM|s|圃画嘲罰刪頻|于写|沖|.titl垃-140ll：ll：lm100kL -80

7、L -loo +， ； 11 -120 占100lk10kFrequency CLog) (HERTZ)CMRR 的幅度仿真DO: acO: vdb (10I AvanVaves B-2008.09 (20080826)D e s i gri P ariel s Wi ridow Me asm e Con i gur a i on To ol s Helpxr|伽I alHBI卿创刪嘲钊刪用|K |N/A V |H/A其 CMRR 的幅值为二Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop),青线为 Vdb(Vop,Von), 靛线为Vdb(Vop),两者相减得到蓝线，即为CMRR的幅值特性曲线 如下

8、图示，截取其在100HZ之前的增益值可得低频时增益为49.1db。.titl垃AvanTaves B-2008.09 (20080826)Desi gri Fanels Window Measiire Confi gijiation Tools Help3.PSRR 的仿真 分析可得，共模抑制比定义为放大器的差分增益和电源到输出的增益 的比值，它放映了放大器对电源和地噪声的抑制能力。此时，同样使 用两个放大器电路，一个仿真电源到输出的增益，一个测试放大器的 差分增益。电路的信号激励和 CMRR 中设置的一样，所不同的是在 仿真共模信号的图中的直流信号实质上就是VDD，交流信号最为输 入小信号加

9、在输入端，即为如下图：1Rfolded qq-cq幅度仿真图为Xr|fM|s|圃画嘲罰刪頻|于写|沖|DO：acQ：vdb(iQ； |DO: acO: vdb (10ua4 pm 苗存开妬 移遐 尊CMOS实验报告樊艶hipui - 608 TWODE旨 Microsoft FowerF.Ei 3. SF -记事本111!； AvanTaves B-2008. 09 (20080826)ESIDesi gri FanelsWi ndow Measiire Conf i gur at i oTools HelpPSRR 的 幅 值 =Vdb(Vop,Von)-Vdb(Vop) ， 其 中 中 间

10、 的 线 为 Vdb(Vop,Von),上面的线为Vdb(Vop),两者相减即可得PSRR的幅值 的曲线，即为下面的线。则由上面的仿真图截点可得其PSRR的幅值 低频增益为 43.6。口亟可得相角仿真图为AvanTaves B-2008.09 (20080826)Desi gri Fanels Window Measiire Confi gijiation Tools Helpxt|删| s|圃a|蠟 罰v?|頻|于|写|沖|1 Wave Li stIlDO: acO:pp (10)Ido : act) ：pp(10jDO：A0：APSRR的相角为=Vp(Vop,Von)-Vp(Vop),其中

11、最上面的线为Vp(Vop),中间的线为Vp(Vop,Von)，最下面的线即为PSRR的相角的变化曲线4、输出阻抗的分析得到仿真图为Current =5.T9e+001 Der i vati ve=-&. 69e_007首先，输出阻抗是指运放闭环应用时的输出阻抗，如果把闭环系统作为一个电压源来看，则输出阻抗即为该电压源的源电阻。由图像可得点，将此点转为电压并与设定的电流相除即可得到电阻由此得到输出阻抗为 794K。5、转换速率仿真26220n60n80n2.6肯1.8Current X=l.lle-007Current Y=2.70e+000 Derivative=2. 20e+0065 2.4

12、lOOn120n140n160nTime Uin) (TIME)180n200n220n240n260n280n300n2. 2Current X=l.Ole-OOTCurrent Y=2.07e+000 9 Derivative=-2. 03e+00T HCurrent X=l.08e-00TCurrent Y=1.36e+000 Derivative=_2. 92e+00TCurrent X=l.Ole-OOTCurrent T=2.12e+000Derivative 79e+00T首先，转换速率表示大信号工作时运放性能的一个重要参数，是 运放输出电压对时间的变化率。然后观察图像，其中红色的线为 V(outm),黄色的为V (outp),则通过截点可计算V (outp) SR为 0.109 V/N S , V(outm)SR 为 0.063 V/N S。