CMOS运放性½参数仿真规范
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MOS运放性½参数仿真规范
机密
目
½
MOS运放性½参数仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1前言
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2概述
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3CMOS运放仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1MOS运算放大器技术指标总表
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2双端输入、单端输出运放性½参数仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2.1直流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2.2交流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2.3瞬态参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.1全差分运放性½参数仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.1.1直流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.1.2共模输入范围的仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.1.3交流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.1.4瞬态参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.2跨导运放(OTA)性½参数仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.2.1直流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.2.2交流参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.2.3瞬态参数仿真
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.3运放其它特性参数仿真规范
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.3.1工艺容差及温度特性的测试
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.3.2极限参数仿真测试
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.3.3最坏情况仿真测试
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.3.4其它性½的仿真测试
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4其它
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
表目½
表1
MOS运算放大器技术指标总表
.............................................
5
图目½
图1 输入失调电压仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
图2
Vos温度特性参考图
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
图3 共模电压输入范围的仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
图4 共模输入范围输出结果参考图
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
图5 输出动态范围的仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
图6 输出摆幅与负½½电阻的关系曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
图7 开环增益仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
图8 幅频、相频曲线图
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
图9 闭环频响曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
图10 共模抑制比仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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图11
CMRR频率曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图12 电源电压抑制比仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图13
PSRR频率曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图14
PSRR温度曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图15 输出阻抗仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图16 输出阻抗的频率曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图17 噪声分析仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图18 输出噪声频谱密度曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图19 电路瞬态响应曲线示意图
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图20 ½换速率仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图21 小信号瞬态响应曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图22 大信号瞬态响应曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图23 建立时间曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图24
THD与频率的关系曲线
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图25
THD与输出信号幅度的关系
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图26 全差分运放失调电压仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图27 全差分运放共模输入范围仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图28 全差分运放输出动态范围仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图29 全差分运放频率响应仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图30 全差分运放共模抑制比仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图31 全差分运放电源电压抑制比仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图32 全差分运放½换速率仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图33 正向跨导和线性范围仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图34 全差分运放正向跨导和线性范围仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
图35 正向跨导幅频特性仿真电路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
11
11
12
12
12
13
13
14
14
14
15
15
16
16
16
17
17
18
18
19
19
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MOS运放性½参数仿真规范
机密
MOS运放性½参数仿真规范
1
前言
为配合模拟电路的仿真流程，本文介绍了有关MOS运算放大器（包括OTA）的性½参数的定
义及其仿真测试电路。MOS运算放大器的仿真包括直流特性仿真、交流特性仿真、瞬态特性仿真、
工艺容差仿真、温度特性仿真及极限（最坏情况〕仿真。本文对上述各种类型的仿真方法逐一进
行了详细介绍，在进行运放的仿真测试时可供选择参考。
2
概述
仿真是运放设计的一项重要内容，运放的仿真与运放的应用环境是不可分割的，在仿真之前
一定要首先确定运放的实际负½½，包括电阻、电容负½½，还应包括电流源负½½，只有负½½确定之
后，仿真出的结果才是有意义的；
不同的应用场合对运放的性½指标要求也不一样，并不需要在任½时候½要将运放的所有指
标½进行仿真，所以，在仿真之前要明确应该要仿真运放的哪几项指标，哪几项指标是可以不仿
真的。在仿真时，要对不同的指标分别建立仿真电路，这样有利于电路的检查；
DC、AC分析是获得电路某一性½指标信息的一种手段，它需要一些相关的条件来支持，½我
们½略了某一条件或根本没有弄清还有哪些条件时，DC、AC分析的结果就可½与实际情况不一致，
导致错误的发生。瞬态仿真则是反映出电路工½的现象，只有瞬态仿真通过，才½说明电路具备
了相应的½力。如：我们在仿真运放的频率特性时，所设计的仿真电路是建立在输入源的输出电
阻为零（或很小，几百ohm以下）的基础之上，此时仿真出的运放稳定性很½，½如果实际电路前
级的输出电阻不为零（此时应考虑运放输入级的寄生电容），这时，在做实际电路的瞬态仿真时，
会发现输出有较大的过冲，瞬态仿真必不可少！而且，每一个AC、DC分析结果½可以用瞬态仿真
加以验证。
以下仿真电路，只画出了电阻、电容负½½，没有给出电流源负½½，在进行电路的仿真时，要
根据实际情况，酌情考虑电流源负½½的½响（实际上电路动态工½时，一定有输出电流）。一般
情况下，电阻、电容负½½是相对于共模电压的（不是GND），不会引入静态电流，½在某些场合，
如输出驱动电路，其电阻负½½是对地的，此时会引入静态电流，这些东西在实际仿真时½是要考
虑的。
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MOS运放性½参数仿真规范
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3 CMOS运放仿真规范
3.1
MOS运算放大器技术指标总表
表1
MOS
运算放大器技术指标总表
参数类别
符号
I
CC
g
m
V
ID
g
m
/I
bias
ICMR
V
OS
αV
OS
I
OPP
V
OPP
A
VO
GBW
PM
PSRR
CMRR
R
ID
R
O
SR
瞬态
T
S
THD
BW
full
VCC
P
D
V
IDR
V
BI
T
A
电源电流
正向跨导
线性输入范围
跨导与偏½电流的比值
共模输入范围
输入失调电压
输入失调电压温度系数
输出峰－峰电流
输出峰－峰电压
开环增益
单½增益带½
相½裕度
电源电压抑制比
共模抑制比
差模输入电阻
输出电阻
½换速率
建立时间
总谐波失真
全功率带½
电源电压
允许功耗
差模输入电压范围
偏½端直流输入电压
工½温度
参数名称
单½
mA
µS
V
1/V
V
mV
µV/
o
C
mA
V
dB
MHz
o
C
dB
dB
kΩ
kΩ
V/µs
直流
交流
极限
V
mW
V
V
o
C
3.2
双端输入、单端输出运放性½参数仿真规范
3.2.1
直流参数仿真
3.2.1.1
失调电压（voltage
offset
）的仿真
定义：实际运放中，½输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏差，
½得输出不为零，而为一 较小值 ，该值为输出失调电压，折算到输入级即为输入失调电压（V
OS
）。
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