实训第二讲-赵sdsd

实训第二讲实训第二讲-赵赵sdsdsdsd内容内容Lab1-电流源负载共源级放大器电流源负载共源级放大器 Lab1-两级运放的设计和仿真两级运放的设计和仿真写在开始前写在开始前 根据工艺库文件查找几个计算需要的参数：根据工艺库文件查找几个计算需要的参数：因此需要在工艺库中查找的或计算得出的参数有：因此需要在工艺库中查找的或计算得出的参数有：CSMC 0.5um CMOSLab1-电流源负载共源级放大器电流源负载共源级放大器 设计指标:VDD=5V IREF=100uA CL=10pf AV=35dB GB=9MHz一、电路分析（1）（2）（3）取 同时通过（1）和（3）式得出，可以通过增加（W/L)n来获得大的电压增益 和GB。关键语句 二、直流分析及关键语句直流分析网表 b1-DC analysis.sp（一）任选项语句.OPTION(二）库文件调用语句（三）模型描述语句(.MODEL语句)（四）直流扫描分析.DC（五）输出控制语句（五）输出控制语句（一）任选项语句.OPTION 一般形式：.OPTION opt1 其中:opt1是所有输入控制选项。一般以=x 形式出现。其中,是控制选项名称,“x”表示那些选项的赋值。不同的任选项在语句中可任意顺序排列。一种是无值的，一种是有值的。ACCT打印出计算和运行时间统计；LIST打印出输入数据总清单；NODE打印出结点表；NOMOD抑制模型参数的打印输出；POST指定分析数据的输出形式 .OPTION POST创建二进制文件;同 POST=1 .OPTION POST=2 创建ASCII（美国信息互换标准代码）文件 还有其他的功能，如控制Accuracy（精度）、Algorithms（算法）、Speed（速度）(二）库文件调用语句 一般形式:.LIB f ilename entryname 或 .LIB libnumber entryname 其中:filepath 指明库文件所在的路径，当库文件与HSPICE运行在 一目录下，则可缺省目录路径。“./”表示当前目录的 上一级目录。filename 包含在数据文件的文件名，所有文件目录路径和文件 名组合最长不超过 256 个字符。文件目录路径和文件 名必须包含在单引号或双引号中。entryname 进入文件的类型名，这个名字的第一个字符不能是一 个整数。libnumber 参考库文件的另一种方法。值得注意的是在不同的 操作系统下，数字定义域不同，如 1189 可以用在 除UNIX以外的所有系统中。UNIX 系统一般用 914。例:.LIB MODELS cmos1 .LIB./sum/MODELS cmos1 .LIB 14 lm 101（三）模型描述语句(.MODEL语句)一般形式是：.MODEL mname type 其中：mname 模型参考名、元件必须靠这个名字来指明所要参考的 模型。type 用来选择模型类型、模型类型必须是下列类型中的 一种：AMP:运算放大器模型；C:电容模型 CORE:磁芯模型 D:二极管模型 L:磁芯互感模型 NJF:n 沟 JFET 模型 NMOS:n 沟 MOSFET 模型 PMOS:p 沟 MOSFET 模型 NPN:npn 双极型晶体管模型 OPT:优化模型 PJF:p 沟 JFET 模型 PNP:pnp 双极型晶体管模型 PLOT:针对.GRAPH 语句的硬拷贝绘图模型 R:电阻器模型 pname1 用来设置模型参数名。模型参数名必须是相应模型中存在的参数，未给定的参数名和值就由程序中的缺省值代替。模型参数值由圆括号内参数表中的参数值给出。每个独立参数之间用空格或逗号分隔，续行前要加”+”号。例:.MODEL MOD1 NPN BF=50 IS=1E-13 VBF=50 AREA=2 +PJ=3 N=1.05 （四）直流扫描分析.DC 该语句规定了直流传输特性分析时所用的电源类型和扫描极限。在直流分析中，.DC 语句可进行：a.直流参数值扫描；b.电源值扫描；c.温度范围扫描；d.执行直流蒙特卡罗分析（随机扫描）；e.完成直流电路优化；f.完成直流模型特性化 .DC 语句具体格式取决于实际应用需要，下面给出直流参数值扫描应用格式：.DC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 .DC var1 START=STOP=+STEP=.DC var1 start1 stop1 incr1 （五）输出控制语句（五）输出控制语句 .PRINT:在输出的list文件中打印数字的分析结果，如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。.PLOT:在输出的list文件中打印低分辨率的曲线（由ASCII字符组成）,如.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。.GRAPH：生成用于打印机或PostScript格式的高分辨率曲线。.PROBE:把数据输出到post-processor，而不输出到list文件。直流仿真过程lab1-dc analysis-1lab1-dc analysis-2由仿真结果可以看出，在VIN=1.23300左右增益达到最大。交流分析交流分析 lab1-ac analysis-1.sp关键语句（一）直流工作点分析.OP（二）（二）.AC（三）（三）.MEASURE（一）直流工作点分析.OP 会在输出文件(.lis文件)中列出一些直流参数和各结点的工作点电压与支路电流、静态功耗，对电路分析非常有用。直流或交流扫描中(.ac or.dc),计算的是初始工作点。瞬态分析中(.tran),计算某一时刻的工作点，默认时间是0。例如：.op 3n,计算3纳秒时电路的工作情况。一般形式：.OP 其中：format是下述关键字中的任何一个（缺省值为ALL）：ALL、BRIEF、NOTE、CURRENT、DEBUG、OLTAGE。上述关键字有一点值得特别注意，这些关键字互相不兼容，同一时间只能用一个关键字定义。time这个参数直接跟在 All、Voltage、Current 或DEBUG 等参数后面，用来确定这些参数值输出打印的时间。下面给出两个进行直流工作点分析的例子：例：.OP.5NS CUR 10NS VOL 17.5NS 20NS 25NS 在例中计算了直流工作点，并要求在 0.5ns 时打印出所有直流工作点值，此外电流在 10 ns，电压在17.5 ns、20ns 以及 25 ns 时进行瞬态分析。ALL提供全部工作点值，包括电压、电流、电导和电容等值；BRIEF每一个元件都产生一行电压、电流和功率值，电流单位是 mA，功率单位是 mw；CURRENT提供一种带有元件电流和功率的电压表格样式的简明结果；NOTE，禁止节点和元件打印输出，但允许执行时附加分析规定；OLTAGE仅提供电压输出表格形式。DEBUG此参数同上只有在模拟结果不收敛的情况下才由程序来调用。并能调整打印出收敛节点的新、老电压以及不收敛的程度（容差），它也能打印出带容差值的不收敛元件。（二）（二）.AC对电路进行交流分析对电路进行交流分析AC:V(2),VI(3),VM(5,7),VDB(OUT),IP(9),IP4(M4)R:RealI:ImaginaryM:MagnitudeP:PhaseDB:Decibels例：例：.ACDEC101K100MEG$1kHz-100MHz,每每10倍频倍频10个采样点。个采样点。（三）（三）.MEASURE1）Rise,Fall,andDelay(TRIG-TARG)2）AVG,RMS,MIN,MAX,&Peak-to-Peak(FROM-TO)3）FIND-WHEN.MEASURE DC|AC|TRAN result_var TRIG.TARG.result_var:Name Given the Measured Value in HSPICE Output TRIG.:TRIG trig_var VAL=trig_value +TARG.:TARG targ_var VAL=targ_value +TRIG.:TRIG AT=value :Example:.measTRANtproptrigv(in)val=2.5rise=1targv(out)val=2.5fall=11）Rise,Fall,andDelay(TRIG-TARG).MEASURE DC|AC|TRAN result FUNC out_var +result_var:Name Given the Measured Value in HSPICE Output FUNC:AVG-Average MAX-Maximun PP-Peak-to-Peak MIN-Minimum RMS-Root Mean Square :out_var:Name of the Output Variable to be MeasuredExample:.measTRANminvalMINv(1,2)from=25nsto=50ns.measTRANtot_powerAVGpowerfrom=25nsto=50ns.measTRANrms_powerRMSpower 2）AVG,RMS,MIN,MAX,&Peak-to-Peak(FROM-TO).measure DC|AC|TRAN result WHEN.measure DC|AC|TRAN result FIND out_var1 WHEN.measure DC|AC|TRAN result_var FIND out_var1 AT=val result:Name Given the Measured Value in HSPICE Output WHEN.:WHEN out_var2=val|out_var3 +:Example:.measTRANfifthWHENv(osc_out)=2.5Vrise=5.measTRANresultFINDv(out)WHENv(in)=2.5Vrise=1.measTRANvminFINDv(out)AT=30ns3）FIND-WHEN.measTRANVmaxMAXv(out)FROM=TDvalTO=Tstop.measTRANVminMINv(out)FROM=TDvalTO=Tstop.measTRANTriseTRIGv(out)VAL=Vmin+0.1*VmaxTD=TDvalRISE=1+TARGv(out)VAl=0.9*VmaxRISE=1.measTRANTfallTRIGv(out)VAL=0.9*VmaxTD=TDvalFALL=2+TARGv(out)VAl=Vmin+0.1*VmaxFALL=2.measTRANTdelayTRIGv(in)VAL=2.5TD=TDvalFALL=1+TARGv(out)VAL=2.5FALL=2.measTRANTh1WHENv(out)=0.5*v(Vdd)CROSS=1.measTRANTh2WHENv(out)=0.5*v(Vdd)CROSS=2.measTRANTmidPARAM=(Th1+Th2)/2.measTRANVmidFINDv(out)AT=Tmid.measTRANTfromWHENv(out)=VmidRISE=1.measTRANRipplePPv(out)FROM=TfromTO=Tmid交流仿真过程lab1-ac analysis-1设计指标:VDD=5V CL=10pf IREF=100uA AV=35dB GB=9MHz由仿真结果可以看出，av_db=3.5488E+01 at=2.5119E+01 from=1.0000E+00 to=1.0000E+08 f-3db=1.3433E+05 gb=8.0115E+06即增益为35.488db,GB=8.0115Mhz由这样的设计结果满足不了设计指标的要求，需要增加增益和带宽。根据前面的增益和带宽计算公式，可以通过增加M1管的宽长比来增加增益和带宽。改取 lab1-ac analysis-3由仿真结果可以看出，av_db=3.6343E+01 at=3.9811E+01 from=1.0000E+00 to=1.0000E+08 f-3db=1.4302E+05 gb=9.4239E+06即增益为36.343db,GB=9.4239 Mhz。满足了设计要求。总结，增益在长减为0.5的时候会减小，这是因为沟道长度调制系数与栅长成反比。因此，增益会随着栅长的缩小而减小。其他重要语句：.ic.param .alter.dataLab2：两级两级CMOS运算放大器的设计运算放大器的设计指标指标 要求要求原理分析原理分析直流特性仿真直流特性仿真交流特性仿真交流特性仿真修改参数满足指标修改参数满足指标 分析要求相位裕量为60，则gm610gm1，补偿电容Cc0.22CL。相位裕量公式：即 由相位裕量公式可以看出，gm1/gm6越小，Cc/CL越大，相位裕量大。求解电路过程 1.求CC 由CL求得CC取2.求I5 由CC和SR求得I5取3.求S1,S2 由CC和GB求得S1,S2取4.求S3,S4 由I5和ICMR求得S3,S4取5.求S5 由I5和ICMR求得S5取6.求S6 由gm1,gm4,S4求得S6使则取7.求S7 由S6,S5求得S7取MOS管M1、M2M3、M4M5、M8M6M7W/L（计算值）3/17.5/118/160.5/174/1测量增益与相位裕度相位裕度是电路设计中的一个非常重要的指标，用于衡量负反馈系统的稳定性，并能用来预测闭环系统阶跃响应的过冲，定义为：运放增益的相位在增益交点频率时（增益幅值等1的频率点为增益交点），与-180相位的差值。lab2-cmosamp-ac-0v.spdc=0V时的小信号仿真结果：dBgb=5.5294E+06phase=5.5685E+01增益为70.7247设计要求仿真结果增益5055.3GB7470.7相位裕量6056.7由上表可以看出电路的设计没有达到设计要求。由上表可以看出电路的设计没有达到设计要求。MOS管M1、M2M3、M4M5、M8M6M7W/L（计算值）3/17.5/118/160.5/174/1W/L（优化值）5/17.5/118/1121/1148/1测量增益与相位裕度相位裕度是电路设计中的一个非常重要的指标，用于衡量负反馈系统的稳定性，并能用来预测闭环系统阶跃响应的过冲，定义为：运放增益的相位在增益交点频率时（增益幅值等1的频率点为增益交点），与-180相位的差值。lab2-cmosamp-ac-0v.spdc=0V时的小信号仿真lab2-cmosamp-ac-2v.spdc=2V时的小信号仿真lab2-cmosamp-ac-1v.spdc=-1V时的小信号仿真测量输入共模范围 运算放大器常采用如图3所示的单位增益结构来仿真运放的输入共模电压范围，即把运放的输出端和反相输入端相连，同相输入端加直流扫描电压，从负电源扫描到正电源。得到的仿真结果如图3所示（利用MOS管的GD极性相反来判断放大器的同相端与反相端）从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V2V)lab2-cmos amp-ICMR.sp测量输出电压范围在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR限制。若采用高增益结构，传输曲线的线性部分与放大器输出电压摆幅一致，图6为反相增益为10的结构，通过RL的电流会对输出电压摆幅产生很大的影响，要注意对其的选取，这里我们选取RL=50K，R=60K.图8为输出电压范围可以看出输出电压摆动大概在-2V2V之间，基本满足要求lab2-cmos amp-VOUTrange.sp电源电压抑制比测试因为在实际使用中的电源也含有纹波，在运算放大器的输出中引入很大的噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器的输出端的。把从运放输入到输出的差模增益除以差模输入为0时电源纹波到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比，式中的vdd=0，vin=0指电压源和输入电压的交流小信号为0，而不是指它们直流电平。需要注意的是，电路仿真时，认为MOS管都是完全一致的，没的有考虑制造时MOS管的失配情况，因此仿真得到的PSRR都要比实际测量时好，因此在设计时要留有余量。我们可以计算出低频下正电源抑制比（PSRR+）为74.952dB，负电源抑制比为（PSRR-）为78.9178dB。运放转换速率和建立时间分析转换速率是指输出端电压变化的极限，它由所能提供的对电容充放电的最大电流决定。一般来说，摆率不受输出级限制，而是由第一级的源/漏电流容量决定。建立时间是运算放大器受到小信号激励时输出达到稳定值(在预定的容差范围内)所需的时间。较长的建立时间意味着模拟信号处理速率将降低。为了测量转换速率和建立时间，将运算放大器输出端与反相输入端相连，如图所示，输出端接10pF电容，同相输入端加高、低电平分别为+2.5V和-2.5V。在图中波形的上升或下降期间，由波形的斜率可以确定转换速率。经计算得，上升沿的转换速率SR+为11.6 V/us，下降沿的转换速率SR-为10.5 V/us。CMRR的频率响应测量差动放大器的一个重要特性就是其对共模扰动影响的抑制能力，实际上，运算放大器既不能是完全对称的，电流源的输出阻抗也不可能是无穷大的，因此共模输入的变化会引起电压的变化，Vout,Vincm是指共模输出端和共模输入端的交流小信号，而不是它们的直流偏置电压。绘制电路图时，无法体现由于制造产生的不对称性，因此采用保留余量的方法。注意，同相反相端加入相同的小信号电压Vcm。仿真可以从得到电路的共模抑制比为73.9274dB。在100KHz以下CMRR是相当大的。可以看出，CSRR在高频处开始退化，这也是两级无缓冲运算放大器的缺点。谢谢！谢谢！结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42