基本两级运放分析与仿真

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2024年7月25日发(作者：)

基本两级运放分析与仿真

分析下图所示两级运放大的指标：

偏置电流与功耗、开环增益、

GBW

与相位裕度、压摆率、

Swing Ran ge

、噪 声、

工艺

corner

分析、温度特性分析等

vdd

vdd

M1

801

M3

vo

CL 1 civ

Rb fOOk

+ vac

IW

Rz

rzv

0.6u

U2

□ 2u

士

.4876V

1

U5

Cc

u—

—

ccv

1

—

建立该放大器的网表文件存储在文件：

中 网表文件：

*subckt opa .param rzv=1k ccv=1p clv=1p .subckt opa vip vin vo 0 vdd ml 1 1 vdd

vdd PENH w=12u l=2u m=2 m2 vo1 1 vdd vdd PENH w=12u l=2u m=2 m3 vo vo1

vdd vdd PENH w=12u l=0.6u m=8 mu1 1 vin 2 0 NENH w=12u l=2u m=2 mu2 vo1

vip 2 0 NENH w=12u l=2u m=2 mu3 2 vb 0 0 NENH w=12u l=6u m=1 mu4 vo vb 0 0

NENH w=12u l=6u m=8 mu5 vb vb 0 0 NENH w=12u l=6u m=1 rb vdd vb 100k rz

vo1 3 rzv cc 3 vo ccv cl vo 0 clv cb vb 0 10p

.ends

1

1.

工作点分析

由仿真结果查得电路的功耗是多少？各个

网表如下：

mos

管的工作区域，以及

MOS

f

的漏极电流为多少？该放大器的偏置电流为多少？

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.op

.end

(1

)电路的功耗:

total voltage source power

T/cilt:age sources

dissipation= watts

■st

蓝盍

盖

subckt

element

vol t

吕

current

power

0 :vdd 0:vinl

5.0000 2.4876

-357.9266u 0.

1.7&96m 0.

0:vipl

2.4S76

0.

0.

电路功耗为

1.7896mW

(2

)各个

mos

管的工作区域

,MOS

管的漏极电流

,

以及放大器的偏置电流:

aubckt

xal

xal

xal xal

element

model

region

id

subckt

1

：

ml

0:penh

Sarurati

-17.2O45U

xal

l:mu4

0:nenh

Saturati

2S0.8355U

1

0 :penh

Sarurati

-17.2O45U

xal

1;

0: nenli

1

：

m3

0 :penh

Sarurati

-?S8.8356u

1

：

mul 1

：

mu2 1

：

rau3

O:nenh 0:nenh 0 :nenh

Sarurati Saturati Saturati

17.2O45U 17.2O45U 34.4089U

element

model

region

id

Saturati

34,6021u

2.

直流分析

仿真该运放的输入输出特性曲线，求小信号增益、输出摆幅(

output swing range

)

网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT .in elude

2

"/home/fzu/example/zuoye/opa .n et" xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.dc vip1 2.484 2.491 0.0001

.end

(1

)输入输出特性曲线、小信号增益

(

2

)输出摆幅

由输入输出特性曲线图可得输出摆幅为：

4.9112V-0.01057V=4.90063V

3.

交流分析

（调整管子尺寸使运放的增益大于

60dB,

调整补偿电容使相位裕度大于

60

） ① 在没有

补偿电阻（

Rz

）,补偿电容

（

Cc）

为

1pf

的条件下求该放大器单位增

益带宽（

GW/

B

相位裕度；

网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

.param rzv=0

xa1 vip vin vo 0 vdd opa vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.ac dec 100 100 200meg

.print ac vdb（vo） vp（vo）

.end

3

仿真波形如下:

SHCF FxpIfflFr ^n-Kinn 7HC-. I Cn^iljhi

"z 呼

n I nr. P^ip^nal hi

■叭y

Tags ia r

:

nfis ssss

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壬,

b«Vr>iW 4? VVWi*

国

tawjR

R, jhmuhMnJrrij

讥

List

文件截图

:

23.44229x

2・9183m -110.3815

由上图有，该放大器单位增益带宽(

GWB

为：

23.44229MHz,

相位裕度为：

180-110.3815=79.6185

② 分析没有补偿电阻，补偿电容在(

0~5pf

)变化的时候对

GWB

口相位裕度

的影响；

网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

.param rzv=0

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.ac dec 100 10 200meg sweep ccv 0 5p 0.5p

.print ac vdb(vo) vp(vo)

.end

4

仿真波形如下:

:* | 在“口.巾

w

章他卫

hui.

、

jB? SF1 C£ Exdni Vrn

』母

hu "

List

文件截图

:

ccv=0pf

165.958693(

ccv=0.5pf

48.2706m 161.8799

|42.65795X

93-S095m

-122.3574

ccv=1pf

23.44229X

ccv=1.5pf

1.1939m

-1 10.3fi27

15.84893x

8jD. 7018m

-105.5736

-101.5&22

ccv=2pf

12 022fi4K

ccv=2.5pf

«5.9371m -IDS.1933

9.5499SX

175.8782m

ccv=3pf

&.12831X

ccv=3.5pf

20.4489m

155.0402m

-100.S029

6.91&31X

102.5128m

-99.9992

-99.015S

ccv=4pf

6.0256QX

ccv=4.5pf

-99.4129

5.37032X

144.4577m

ccv=5pf

4.B9779x 37.0887m -98.7967

由上知随着电容增大，单位增益带宽减小，相位裕度增大

③ 分析补偿电阻在(

0~2K

变化，补偿电容为

1pf

的时候对

GWB

口相位裕度 的影响。

网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.ac dec 100 1k 200meg sweep rzv 0 2k 0.2k

.print ac vdb(vo) vp(vo)

.end

5

仿真波形如下:

:* | 』

［LEirffecNwiLal

|匚『

hjrwuTruiKaJgTij

讥叫■如洛＞|毀

SR

匚

E Exp4uw Vunns 20C

曲堰

List

文件截图

：

rzv=Ok

23 .44229X

rzv=0.2k

1,1935m -110.3827

22.90S68X

191,4556m

-108,3423

rzv=0.4k

22.9086&X

rzv=0.6k

180.7743m -106.7546

22.9D868X

177.2439m

-105.1634

rzv=0.8k

22.90B68X

rzv=1k

180

a

8920m -103.5714

22.90a68x

191.7123m

-101.9814

rzv=1.2k

23

L

44229

X

rzv=1.4k

3

・

3645

JW

-100.6337

23 .44229X

29.5362m

-99.0198

rzv=1.6k

23.44229X

rzv=1.8k

62.9624m -97.4165

23.44229X 103.4B64ffl -95.8264

rzv=2k

23.44229X 150,9187m -94.2522

由上知随着电阻增大，单位增益带宽变化不大，稍微有点增大，相位裕度增大

4.

噪声分析：

对放大器的输出节点做噪声分析，给出分析的结果 网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.ac dec 10 10 1g

.no ise v(vo) vip1 20

.end

6

List

文件截图

：

⑴

f=10Hz

"*

氐

total output noise voltage

=20.9058U

= 4.5723m

transfer function value: v(vo)/vipl

1.4974k

equ-ivalent input noise at vipl

⑵

f=1KHz

**** total output noise voltage

=207.8938H

=455.9537u

transfer function valuer v(vo)/vipl

equivalent input noise at vipl

⑶

f=100KHz

1.4944k

=305.104711

**** total output noise voltage

transfer function value: v(vo)/vipl

= 60.9061P

equivalent input noise at vipl

= 7.8042U

=235.5574

=33.1309n

⑷

f=10MHz

a total output noise voltage

= 1.03S9f

=32.2320n

transfer function value: v(vo)/vipl

equivalent input noise at vipl

= 2,3759

⑸

f=1GHz

=13.5662n

**** total output noise voltage

二

l

+

1830a

transfer function value: v(vo)/vipl

= l,0877n

equivalent input noise at vipl

由上知，随着频率的增大，噪声减小

二

9.3601m

=116,2014n

5.

压摆率分析(提示：运放工作在闭环状态，用瞬态分析)

输入激励信号为：

PULSE 2 3 20ns 0.1 n 0.1 n 100n 200n

测量上升和下降的压摆率分别为多少？

网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin vo dc 0

vip1 vip 0 dc 0.4876 pulse 2 3 20n 0.1 n 0.1 n 100n 200n

.tra n 5n 1u

.end

7

sq v/hz

v/rt hz

/rt hz

sq v/hz

v/rt hz

/rt hz

sq v/hz

v/rt hz

sq v/hz

v/rt hz

/rt h2

sq v/hz

v/rt hz

/it hz

仿真波形如下:

File MaveVieu Panel Axes Tools CcrFig Help

越

I

创型亘回

>1

刮團倒列因團国⑥创昼

LELal

型包

列

&QD0;5-55tr0

+

L

囲瀚

1

①®

©②

©

①

上升和下降的压摆率分别为

：

slewrate(

,

10lvo2

t

9^2.1)

slewrate('lOlvo',2

+

1,2

+

9)

= -2J4175e+07

= 3^024618+07

6.

模型

corner

仿真

求出模型在

FF

、

SS FS

、

SF

等情况下的小信号增益，以及

GWB

口相位裕度。 网

表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.dc vip1 2.484 2.491 0.0001

.ac dec 10 10 1g

.print ac vdb(vo) vp(vo)

.alter

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' FF

.alter

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' FS

.alter

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' SF

.alter

8

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' SS .end (1)

模型在

TT

、

FF

、

FS

、

SF

、

SS

情况下的小信号增益

5TKL Cipktzr

V-

UBHM

2IK

、

C^rr'*4^i GbRIDM 5■ rd*ork Delian Lt:. r«-3iunl l_risntf«

團刮回 旦色 创剑暨 旦乞盘

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1

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(2

)模型在

TT

、

FF

、

FS SF

、

SS

情况下的

GWB

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W

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(

3

)模型在

TT

、

FF

、

FS SF

、

SS

情况下的相位裕度

F

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比価

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10

7.

温度分析

对放大器进行温度扫描，分析各种温度情况下小信号增益；分析随温度变化, 单位增

益和相位裕度的变化情况。(温度扫描范围：

0~100,

步长为

20

) 网表如下：

*opa

.optio ns post=2

.lib 7home/fzu/hspice/models/cz6h_' TT

.in clude "/home/fzu/example/zuoye/opa. net"

xa1 vip vin vo 0 vdd opa

vdd vdd 0 5

vin1 vin 0 dc 2.4876

vip1 vip 0 dc 2.4876 ac 1 0

.dc vip1 2.484 2.491 0.0001 sweep temp 0 100 20

.ac dec 10 10 1g sweep temp 0 100 20

.print ac vdb(vo) vp(vo)

.end

(

1

)小信号增益

11

占

ph.n |u

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11

、口

glMl

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(2

)单位增益和相位裕度

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本文标签： 分析增益温度运放增大