MOS運放性能參數(shù)仿真規(guī)范

1、cmos 運放性能參數(shù)仿真規(guī)范(保密文件， 內(nèi)部使用 )芯?？萍加邢薰景鏅?quán)所有侵權(quán)必究目錄224其它. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223.3.4其它性能的仿真測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223.3.3最壞

2、情況仿真測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213.3.2極限參數(shù)仿真測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213.3.1工藝容差及溫度特性的測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、. . . . . . . . .213.3運放其它特性參數(shù)仿真規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213.2.3瞬態(tài)參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213.2.2交流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.2.1直流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203.2跨導運放 (ota) 性能參數(shù)仿真規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193.1.4瞬態(tài)參數(shù)仿真. . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183.1.3交流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173.1.2共模輸入范圍的仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、. . . . . . . . . .163.1.1直流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163.1全差分運放性能參數(shù)仿真規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.2.3瞬態(tài)參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83.2.2交流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53.2.1直流參數(shù)仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53.2雙端輸入、單

8、端輸出運放性能參數(shù)仿真規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53.1mos 運算放大器技術(shù)指標總表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53cmos 運放仿真規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9、 . . . . . . .42概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4mos運放性能參數(shù)仿真

10、規(guī)范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .表目錄5表1 mos運算放大器技術(shù)指標總表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .圖目錄10圖10 共模抑制比仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11、 . . . . . . . . . . . . . . .10圖9 閉環(huán)頻響曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9圖8 幅頻、相頻曲線圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9圖7 開環(huán)增益仿真電路. . . . . . . .

12、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8圖6 輸出擺幅與負載電阻的關(guān)系曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8圖5 輸出動態(tài)范圍的仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13、. . . . .7圖4 共模輸入范圍輸出結(jié)果參考圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7圖3 共模電壓輸入范圍的仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6圖2 vos溫度特性參考圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6圖1 輸入失調(diào)電壓仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第2頁，共 22頁21圖35 正向跨導幅頻特性仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15、. . . . . .20圖34 全差分運放正向跨導和線性范圍仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20圖33 正向跨導和線性范圍仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19圖32 全差分運放轉(zhuǎn)換速率仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16、 . . . . . . . .19圖31 全差分運放電源電壓抑制比仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18圖30 全差分運放共模抑制比仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18圖29 全差分運放頻率響應仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17、 . . . . . . . . . . . .17圖28 全差分運放輸出動態(tài)范圍仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17圖27 全差分運放共模輸入范圍仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16圖26 全差分運放失調(diào)電壓仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18、 . . . . . . . . . . . . . . .16圖25 thd 與輸出信號幅度的關(guān)系. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16圖24 thd 與頻率的關(guān)系曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15圖23 建立時間曲線. . . . . . . . . . . . . . . .

19、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15圖22 大信號瞬態(tài)響應曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14圖21 小信號瞬態(tài)響應曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20、. . . . . .14圖20 轉(zhuǎn)換速率仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14圖19 電路瞬態(tài)響應曲線示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13圖18 輸出噪聲頻譜密度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13圖17 噪聲分析仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12圖16 輸出阻抗的頻率曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12圖15 輸出阻抗仿真

22、電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12圖14 psrr溫度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11圖13 psrr頻率曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11圖12 電源電壓抑制比仿真電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10圖11 cmrr 頻率曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范

24、機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第3頁，共 22頁mos 運放性能參數(shù)仿真規(guī)范1 前言為配合模擬電路的仿真流程，本文介紹了有關(guān)mos運算放大器（包括ota ）的性能參數(shù)的定義及其仿真測試電路。mos運算放大器的仿真包括直流特性仿真、交流特性仿真、瞬態(tài)特性仿真、工藝容差仿真、溫度特性仿真及極限（最壞情況仿真。本文對上述各種類型的仿真方法逐一進行了詳細介紹，在進行運放的仿真測試時可供選擇參考。2 概述仿真是運放設(shè)計的一項重要內(nèi)容，運放的仿真與運放的應用環(huán)境是不可分割的，在仿真之前一定要首先確定運放的實際負載，包括電阻、電容負載，還應包括電流源負載，只有負載確定之后，仿真出的結(jié)果才是有意義

25、的；不同的應用場合對運放的性能指標要求也不一樣，并不需要在任何時候都要將運放的所有指標都進行仿真，所以，在仿真之前要明確應該要仿真運放的哪幾項指標，哪幾項指標是可以不仿真的。在仿真時，要對不同的指標分別建立仿真電路，這樣有利于電路的檢查；dc、ac 分析是獲得電路某一性能指標信息的一種手段，它需要一些相關(guān)的條件來支持，當我們忽略了某一條件或根本沒有弄清還有哪些條件時，dc、ac分析的結(jié)果就可能與實際情況不一致，導致錯誤的發(fā)生。瞬態(tài)仿真則是反映出電路工作的現(xiàn)象，只有瞬態(tài)仿真通過，才能說明電路具備了相應的能力。如：我們在仿真運放的頻率特性時，所設(shè)計的仿真電路是建立在輸入源的輸出電阻為零（或很小，幾

26、百ohm以下）的基礎(chǔ)之上，此時仿真出的運放穩(wěn)定性很好，但如果實際電路前級的輸出電阻不為零（此時應考慮運放輸入級的寄生電容），這時，在做實際電路的瞬態(tài)仿真時，會發(fā)現(xiàn)輸出有較大的過沖，瞬態(tài)仿真必不可少！而且，每一個ac 、dc分析結(jié)果都可以用瞬態(tài)仿真加以驗證。以下仿真電路，只畫出了電阻、電容負載，沒有給出電流源負載，在進行電路的仿真時，要根據(jù)實際情況，酌情考慮電流源負載的影響（實際上電路動態(tài)工作時，一定有輸出電流）。一般情況下，電阻、電容負載是相對于共模電壓的（不是gnd），不會引入靜態(tài)電流，但在某些場合，如輸出驅(qū)動電路，其電阻負載是對地的，此時會引入靜態(tài)電流，這些東西在實際仿真時都是要考慮的。m

27、os運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第4頁，共 22頁3 cmos 運放仿真規(guī)范3.1 mos 運算放大器技術(shù)指標總表表1 mos運算放大器技術(shù)指標總表oc工作溫度tav偏置端直流輸入電壓vbiv差模輸入電壓范圍vidrmw允許功耗pdv電源電壓vcc極限全功率帶寬bwfull總諧波失真thd建立時間tsv/ s轉(zhuǎn)換速率sr瞬態(tài)k?輸出電阻rok?差模輸入電阻riddb共模抑制比cmrrdb電源電壓抑制比psrroc相位裕度pmmhz單位增益帶寬gbwdb開環(huán)增益avo交流v輸出峰峰電壓voppma輸出峰峰電流iopp v/oc輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù) vosmv輸入

28、失調(diào)電壓vosv共模輸入范圍icmr1/v跨導與偏置電流的比值gm/ibiasv線性輸入范圍vid s正向跨導gmma電源電流icc直流單位參數(shù)名稱符號參數(shù)類別3.2 雙端輸入、單端輸出運放性能參數(shù)仿真規(guī)范3.2.1 直流參數(shù)仿真3.2.1.1 失調(diào)電壓（ voltage offset ）的仿真定義：實際運放中，當輸入信號為零時，由于輸入級的差分對不匹配及電路本身的偏差，使得輸出不為零，而為一較小值 ，該值為輸出失調(diào)電壓，折算到輸入級即為輸入失調(diào)電壓（vos）。mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第5頁，共 22頁仿真電路：圖1 輸入失調(diào)電壓仿真電路注：對單電源

29、運放，vi 取幅度為共模點的直流電壓，對雙電源運放vi=0 。 對電路進行 op分析和工藝容差分析，測出vo值（可在 artist的result broswer中查到 vo值）。則有： vos = |vo - vi| (mv)3.2.1.2 系統(tǒng)失調(diào)電壓溫度系數(shù)（）的仿真vio定義：系統(tǒng)失調(diào)電壓隨溫度的變化率。單位：uv/ 仿真電路同（圖1）。仿真時對溫度進行dc分析。在simulate include file 菜單下加入以下語句： .dc temp -40 115 1 -40起始溫度 115截止溫度 1 step測試輸出電壓dc波形即可。以下為 adi 公司產(chǎn)品 ad8057 電路的 vo

30、s溫度特性。（摘自ad8057 數(shù)據(jù)手冊）圖2 vos溫度特性參考圖注：圖中分別給出了電源電壓為1.5v和 5v 時的 vos溫度特性。3.2.1.3 共模電壓輸入范圍（ input commom-mode range) 的仿真定義：對理想運放，當輸入共模電壓時，輸出應為零（即保持共模電壓不變），而對實際運放，輸入共模電壓時，輸出不為零，當共模電壓超過一定值時，運放不能再對差模信號進行正常放大。在正向共模電壓不斷增大時，使得共模抑制比（cmrr ）下降 6db時的共模電壓為正向共mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第6頁，共 22頁模輸入電壓（vicm(+) ）

31、，同理， cmrr 下降 6db時的負向共模輸入電壓為vicm(-) 。則共模輸入范圍為： vicm(-)vicm(+) 。仿真電路：圖3 共模電壓輸入范圍的仿真電路注： vi 取幅度為共模點的直流dc電壓源，負載rl、cl根據(jù)實際電路確定，對電路進行dc分析（ from vss to vdd by 0.01v ）。測量時， r1 r3，r2=r4，觀察 vo波形，注意以下幾點：1.測試 vo波形呈線性變化時對應vi的范圍；2.測試線性變化時的斜率，斜率的倒數(shù)即為cmrr ；3.cmrr 向上下降 6db和向下下降 6db時對應的 vi 變化范圍即為共模電壓輸入范圍。還有一點必需注意的是，圖2

32、所示電路是運放在閉環(huán)應用時，閉環(huán)電路的共模輸入范圍，并不是運放本身的共模輸范圍，實際上，運放的共模輸入電壓為：r2/(r1+r2)*(vi-vcom)以上電路測試的雖然不是運放的共模輸入范圍，但它能反映出運放是否能將輸出電壓穩(wěn)定在共模電壓上的一種能力，尤其在全差分運放的設(shè)計時，這種仿真能夠反映出共模負反饋電路穩(wěn)定輸出共模點的能力，必要時不但要進行dc分析，還要在最大限度改變輸入信號的共模電壓的基礎(chǔ)上進行 tran 分析，確保在整個共模輸入范圍內(nèi)，運放都能將輸出電壓穩(wěn)定在vcom附近。對于運放本身的共模輸入范圍，可以通過圖1所示電路，對輸入信號在0vdd范圍內(nèi)進行 dc分析，測試輸出電壓能夠跟隨

33、輸入電壓的的范圍，即為運放的共模輸入范圍，這種方法是建立在輸出擺幅不影響輸入范圍的基礎(chǔ)之上，一個比較簡單實用的方法是根據(jù)電路的靜態(tài)工作點，計算出共模輸入范圍。以下為 adi 公司產(chǎn)品 ad8022 的共模輸入特性：圖4 共模輸入范圍輸出結(jié)果參考圖mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第7頁，共 22頁3.2.1.4 輸出動態(tài)范圍（ output swing） 的仿真定義：輸出動態(tài)范圍是在額定的電源電壓和額定的負載情況下，運放可提供的沒有明顯失真的最大輸出電壓范圍。仿真電路：圖5 輸出動態(tài)范圍的仿真電路注： vi 為偏置于 vcom上的 dc電壓源，仿真時取r2=r

34、4，r1=r3，一般應有 r1 r2，這樣才能保證運放的輸出動態(tài)范圍不受輸入動態(tài)范圍的影響。在0vdd 范圍內(nèi)，對電路進行dc分析：觀察 vo點波形，測試輸出電壓的線性跟蹤范圍，即為輸出動態(tài)范圍。為確信其間，做完dc分析之后，還應做tran 分析加以驗證：不斷加大輸入信號的幅度，直至輸出信號有明顯失真，此時的輸出電壓的幅度，即為輸出動態(tài)范圍。顯然，輸出擺幅是受負載電阻大小的影響，當負載電阻太小時，輸出擺幅將由輸出級的電流決定，為 io*rl ，以下為輸出擺幅與負載電阻的關(guān)系曲線：圖6 輸出擺幅與負載電阻的關(guān)系曲線注：以上結(jié)果摘自ad8057 數(shù)據(jù)手冊。圖中分別給出了正、負輸出擺幅的曲線，電源電

35、壓為5v 。3.2.2 交流參數(shù)仿真3.2.2.1 開環(huán)增益 (open loop gain)、增益帶寬積 (gbw)、相位裕度 ( phase margin)、增益裕度(gain margin)的仿真定義：開環(huán)增益：低頻工作時(200hz)，運放開環(huán)放大倍數(shù)；增益帶寬積：隨著頻率的上升，a0會開始下降， a0下降 至0db 時的頻率即為gbw ；mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第8頁，共 22頁相位裕度：為保證運放工作的穩(wěn)定性，當增益下降到0db時，相位的移動應小于180度，一般 取余量應大于60度，即相位的移動應小于120度；增益裕度：為保證運放穩(wěn)定性，

36、除相位裕度外，還應保證：當相位移動達到180度時，增益要小于 0db，一般要有 10db裕量，即當相位移動達到180度時，增益要小于-10db。仿真電路：圖 7 開環(huán)增益仿真電路注： vi 為幅度為 1，相位為 0的交流信號（vsin)。對電路進行ac 分析（ from 1hz to 1ghz by 100point/doc) 。負載 rl、cl 根據(jù)實際電路確定。以下為 ad8057 電路的幅頻、相頻曲線：圖 8 幅頻、相頻曲線圖3.2.2.2 閉環(huán)頻率特性仿真閉環(huán)頻率特性是與開環(huán)頻率特性相關(guān)的，它是開環(huán)頻率特性的一種驗證，如果開環(huán)時的相位裕度不夠，在閉環(huán)曲線的轉(zhuǎn)折頻率處就會出現(xiàn)過沖，相位裕

37、度越底，過沖越大，一般在相位裕度為70deg以上時，才沒有過沖。由于過沖的存在，在仿真閉環(huán)頻率特性時，以0.1db平坦帶寬為衡量標準，即增益隨頻率的變化小于 0.1db的帶寬，很顯然，在不同的應用場合，變化范圍是可以不一樣的。以下為 ad8057 的閉環(huán)頻響曲線：mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第9頁，共 22頁圖9 閉環(huán)頻響曲線3.2.2.3 共模抑制比（ cmrr）的仿真定義： cmrr 即為差模電壓增益與共模電壓增益之比，并用對數(shù)表示。 cmrr = 20log(aid / acm) cmrr 越大，則運放的對稱性越好。仿真電路：圖 10 共模抑制比仿

38、真電路注： vi 取 幅度為 1v 且偏置于 vcom上的交流電壓源。r可取 20k( 或其它合適值)。對電路進行ac 分析，觀察 vo點波形。 1/vo 即為 cmrr 值。以下為 ad8057 電路的 cmrr 曲線：圖11 cmrr 頻率曲線注：以上給出的實際上是cmrr 的倒數(shù)。mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第10頁，共 22頁3.2.2.4 電源電壓抑制比（ psrr）的仿真定義： psrr可用下式表示：psrr=-20log(1/av)*(dvo/dvdd)當雙電源供電時，電路的參考點電位一般是零電位點（gnd ），此時應分別給出正、負電源vd

39、d 和vss的psrr；而對單電源供電情況，電路的參考點電位一般是gnd ，此時只要給出電源電壓的psrr即可。正電源電壓用psrr+，負電源電壓用psrr表示。仿真電路：圖12 電源電壓抑制比仿真電路注：仿真時將電源電壓設(shè)置為ac源，進行 ac分析。以下為 ad8057 的psrr曲線：圖13 psrr頻率曲線mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第11頁，共 22頁圖14 psrr溫度曲線3.2.2.5 輸出阻抗分析定義：輸出阻抗是指運放閉環(huán)應用時的輸出阻抗，如果把閉環(huán)系統(tǒng)作為一個電壓源來看，則輸出阻抗即為該電壓源的源電阻。以跟隨器為例說明輸出阻抗的仿真方法：

40、仿真電路：圖15 輸出阻抗仿真電路仿真時，對輸出電流源進行交流分析，（注意電流源的dc電流要與實際應用時的相等，因為在不同的負載電流條件下，輸出阻抗不相等），測試輸出電壓的波形，即為輸出阻抗的頻率曲線，將db值直接轉(zhuǎn)換成絕對值即可。以下為 ad8057 的輸出阻抗曲線：圖 16 輸出阻抗的頻率曲線3.2.2.6 噪聲分析噪聲分析可以仿真出電阻熱噪聲、晶體管熱噪聲和1/f，仿真時必須有廠家給出的noise模型參數(shù)，否則仿真結(jié)果沒有價值。mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第12頁，共 22頁噪聲是一個頻帶的概念，也就是我們考慮噪聲總是指一定頻率范圍內(nèi)的噪聲，所以噪

41、聲分析必需與 ac 分析同時進行，artist 的仿真結(jié)果以文件形式輸出，給出仿真頻帶內(nèi)總的輸出噪聲電壓、等效輸入噪聲、平均噪聲密度和噪聲頻譜密度（各頻率點的噪聲），用awaves仿真時，可以給出噪聲的頻譜圖。仿真電路：圖17 噪聲分析仿真電路以下為 ad8057 噪聲曲線：圖18 輸出噪聲頻譜密度曲線3.2.2.7 群延時（ group delay）的仿真定義：群延時是反映電路相位失真的一項指標，相位失真是由于不同頻率的信號經(jīng)過系統(tǒng)時產(chǎn)生的延時不一樣造成的，群延時即定義為相位隨頻率的變化率，也就是相位對頻率求導。若相位的單位為度（deg），頻率的單位為赫茲（hz），群延時的單位為秒，則：gr

42、oupdelay=(dphase/df)/360仿真電路即為實際電路，對其進行ac分析，得出相頻曲線，在用計算器進行上式的運算即可，得到群延時的曲線。注：群延時在運放的仿真中一般并不重要，它是針對系統(tǒng)而言的，一般是對某一系統(tǒng)做群延時仿真。在此列出是因為該指表在模擬信號處理電路中占很重要的位置，但卻總是被忽視，是因為不太容易理解群延時的概念和仿真方法。3.2.3 瞬態(tài)參數(shù)仿真3.2.3.1 轉(zhuǎn)換速率（slewrate）、建立時間（ setup time）的仿真定義：轉(zhuǎn)換速率：運放輸出電壓對時間的變化率，在測試轉(zhuǎn)換速率時，應取最大變化率。設(shè)輸出電壓為：則：vo= vom&sin* t（v/

43、us）sr =dvodt|max= vom&*mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第13頁，共 22頁可見 vom=sr/ ，因此，當工作頻率（）增大時，若sr太小，則運放輸出達不到vom ，即運放輸出跟不上輸入信號的變化。所以，必需保證運放的sr要大于輸入信號的最大變化率。建立時間：表示大信號工作時運放性能的一個重要參數(shù)，是指運放接成跟隨器（或增益為-1的反向放大器時，輸入階躍大信號（vi ），輸出電壓從開始響應到穩(wěn)定值為止的時間。穩(wěn)定值的誤差范圍一般為0.1%vi. 建立時間既表示了運放的轉(zhuǎn)換速率，又表示了其阻尼特性（與phase margin 有關(guān)

44、）。轉(zhuǎn)換速率、建立時間的定義可參考圖18：圖19 電路瞬態(tài)響應曲線示意圖仿真電路：圖20 轉(zhuǎn)換速率仿真電路注： vi 為階躍大信號，幅度為運放實際應用時的輸入信號范圍，進行tran 分析。在測試slew rate時應分別測出上升階段的sr+和下將階段的 sr-，且應測最大斜率。建立時間為達到所需精度的最小時間。瞬態(tài)響應一般要分別給出小信號（200mv ）和大信號（在共模輸入范圍內(nèi)）的響應曲線，以下為 ad8057 的瞬太響應曲線：圖 21 小信號瞬態(tài)響應曲線mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第14頁，共 22頁圖 22 大信號瞬態(tài)響應曲線圖23 建立時間曲線3

45、.2.3.2總諧波失真 (thd)分析定義：由于電路的彌散性，使得單頻信號經(jīng)過系統(tǒng)之后，不再是純單頻，而且包含了單頻的各次諧波成分，假設(shè)輸出電壓表達式為：vo=a0 + a1sin t + a2sin2 t + a3sin3 t + +ansin n ta0為直流分量。則， thd 的表達式為：thd = - 20log(|a22|+|a32|+|an2|a1|)仿真電路即為實際應用電路，對輸入單頻信號進行瞬態(tài)分析，用計算器對輸出電壓求thd ，時間為一個周期，點數(shù)可為1024或其它 2的整數(shù)次冪，即可得到thd 值，當只給運放做thd 分析時，可以將運放接成跟隨器或增益為a的同相放大器。注：

46、 artist中的計算器，求出的thd 是按下式計算得出的：thd = 100&|a22|+|a32|+|an2|a1|所以在用計算器求thd 的時候，要進行求-20db和加 40db的處理。thd 是反映輸出信號幅度失真的一相指標，通過它可以定義出運放的全功率帶寬（full power bw ），全功率帶寬是指，信號經(jīng)過系統(tǒng)時，在輸出擺幅的范圍內(nèi)，能夠進行無失真（幅度）傳輸?shù)淖罡哳l率信號的頻率，所謂“無失真”是指thd 值滿足規(guī)定的指標。thd 與輸入信號的頻率和輸出信號的幅度相關(guān)，以下是ad8057 的thd 指標曲線：mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵

47、權(quán)必究第15頁，共 22頁圖24 thd 與頻率的關(guān)系曲線注：上圖給出了二次諧波、三次諧波和總諧波失真的頻率曲線。圖25 thd 與輸出信號幅度的關(guān)系3.1 全差分運放性能參數(shù)仿真規(guī)范3.1.1 直流參數(shù)仿真3.1.1.1 失調(diào)電壓的仿真仿真電路：圖26 全差分運放失調(diào)電壓仿真電路注：全差分運放的系統(tǒng)offset為0，若要測試其隨機offset ，應將全差分運放的輸入差分管的寬長比有意識地偏差一點（具體多少按工藝條件確定）。為了使得兩輸出端電壓偏置于vcom，應保mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第16頁，共 22頁證共模負反饋電路的正常工作。將該電路進行op

48、分析，測出 vo+,vo- 的差值，即為offset 值。即：vos=|vo+-vo-|.3.1.2 共模輸入范圍的仿真仿真電路：圖27 全差分運放共模輸入范圍仿真電路注：在運放的兩輸入端加上共模信號源，并對其進行dc分析。from 0 to vdd step 0.1觀察 vop(或von)波形：測試 vo 在vcom附近呈線性變化的范圍。線性變化的斜率值的倒數(shù)也即cmrr 值。分別測試 cmrr 向上下降 6db和向下下降 6db時的輸入信號變化范圍，即為共模輸入范圍。與圖 3所示電路類似，本電路仿真的并不是運放本身的共模輸入范圍，但該電路能夠反映出共模負反饋電路穩(wěn)定輸出共模點的能力。在全差

49、分運放的設(shè)計中，如果共模負反饋電路設(shè)計不當，會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：當輸入信號的共模電壓超出某一范圍后，運放的輸入管截止，導致運放的輸出共模電壓漂到電源電壓（或地）上。在進行 dc分分析的同時，還應在實際電路中進行瞬態(tài)分析，最大限度的改變輸入信號的共模電壓，測試輸出共模電壓能否穩(wěn)定在所設(shè)計的值上。3.1.2.1 輸出動態(tài)范圍的仿真仿真電路：圖28 全差分運放輸出動態(tài)范圍仿真電路仿真時，應有r1=r3，r2=r4，r1r2，測試 vop的線性跟蹤范圍，即為輸出動態(tài)范圍。mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第17頁，共 22頁在進行 dc分析的同時，還應在實際電路中，用瞬

50、態(tài)分析加以驗證：不斷加大輸入信號的幅度，直至輸出信號有明顯失真，此時的輸出電壓的幅度，即為輸出動態(tài)范圍。3.1.3 交流參數(shù)仿真3.1.3.1 開環(huán)增益、增益帶寬積、相位裕度、增益裕度的仿真仿真電路：圖29 全差分運放頻率響應仿真電路注：仿真時，只要測試vop 單端的輸出，即為全差分運放的頻率曲線，無需做vop 與von 的差分。（這與輸入信號源的幅度有關(guān)，若ac=0.5 ，則測試時必需取差分）3.1.3.2 共模抑制比的仿真仿真電路：圖30 全差分運放共模抑制比仿真電路以幅度為 1，相位為 0的ac 電壓源為共模輸入信號，進行ac分析，觀察 vop( 或von) 點波形，即可測試出輸入共模電

51、壓變化對輸出共模電壓的影響。注：由于全差分運放的對稱性，它對輸入共模電壓有很好的抑制功能，一般不考慮cmrr 。圖29所示電路，仿真的實際上是輸入共模電壓變化對輸出共模電壓的影響，而非真正意義上的共模抑制比。3.1.3.3 電源電壓抑制比的仿真仿真電路：mos運放性能參數(shù)仿真規(guī)范機密2004-09-04版權(quán)所有，侵權(quán)必究第18頁，共 22頁圖 31 全差分運放電源電壓抑制比仿真電路進行 ac 分析，觀察 vop( 或von) 點波形，即可測試出電源電壓變化對輸出共模電壓的影響。注：由于全差分運放的對稱性，它對電源電壓的變化有很好的抑制功能，一般不考慮psrr。圖 30所示電路，仿真的實際上是電源電壓變化對輸出共模電壓的影響，而非真正意義上的電源電壓抑制比。3.1.4 瞬態(tài)參數(shù)仿真3