电子科技大学模拟IC实验报告2

电子科技大学实验报告学生姓名：学号：指导教师：一、实验室名称：二、实验题目：两级运放CadenceVirtuoso仿真三、实验目的：1、掌握运放基本参数2、学习利用EDA仿真软件Cadence进行IC设计四、实验工具与方法：1、微机终端一台2、局域网3、EDA仿真软件一套五、实验内容：1、UNIX操作系统常用命令的使用，CadenceEDA仿真环境的调用；2、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。3、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标即通过仿真结果进行分析，调整运放的相位裕度（PM），使其能够接近90˚；。4、整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。六、实验原理及方法1、仿真电路及电路分析：下图为本次实验的电路，该电路是一个两级运算放大器。该电路可以分成三部分：A偏置电路：为后两级放大电路提供恒定电流偏置；B差分放大电路：带有源电流镜的差分对，双端输入，单端输出，作为运放的第一级放大，能够增大电路抗共模信号干扰能力，同时提高运放增益；C共源放大电路：带源极负反馈的共源放大器，作为第二级放大，进一步提高运放增益，同时在共源管（图中Mp13）处引入补偿电容Cc调整电路极点，改善频率特性；输出端接上负载电容。低频小信号分析：该电路的等效小信号模型如下图所示：在上图中gMn14和gMp13为Mn14和Mp13的跨导；C1和C2为第一级和第二级输出节点的总电容；R1和R2为第一级和第二级的输出阻抗，具体值如下：1_11_11_13_13_132_13_171131121317////GDMpDBMpGDMnDBMnGSMpDBMpDBMnMnMpMpMnCCCCCCCCCCLRroroRroro放大器的低频增益为：1141213212141312||||||||||vMnvMpvvvMnMpAgRAgRAAAggRR其中Av1为第一级的差分对的放大系数，Av2为第二级共源级的放大系数，总的增益系数为两级放大系数相乘。A偏置电路C共源放大电路B差分放大电路Vin+-Vout+-C1R1CcgMp13V1V1+-gMn14VinC2R22、仿真测试原理：运放的主要参数分为直流指标，交流指标和瞬态指标。其中：○1直流指标主要有输入失调电压(VOS)、共模输入范围(ICMR)。○2交流指标有差模开环电压增益(ACGAIN)、开环带宽(-3dBBW)、单位增益带宽(UGBW)、共模抑制比(CMRR)、电源电压抑制比(PSRR)、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。○3瞬态指标有转换速率(SR)、建立时间。由于本次实验时间有限，我们只进行了几个指标的仿真测试，包括输入失调电压(VOS)、共模输入范围(ICMR)、差模开环电压增益(ACGAIN)、开环带宽(-3dBBW)、单位增益(UGBW)。2.1直流仿真测试电路及其原理分析：○1共模输入范围(ICMR)测量原理分析：如上图所示，将运放接成这种闭环结构，构成了一个同相电压跟随器。该结构理想的传输函数H(s)=1，即VOUT=VINP。共模输入范围（ICMR）定义为保证所有MOS管工作在饱和区的共模电压输入范围。采用以上的同相电压跟随器电路进行测量时，对输入电压做直流扫描（从0V-3.3V），当输出VOUT=VINP时说明运放内部MOS管均处于饱和区，如果VOUT≠VINP则说明内部有MOS管进入线性区或者截止，输入输出特性曲线如下图所示：从上图可以理论得到VOUT和VINP重叠部分则为共模输入范围○2输入失调电压(Vos)测量原理分析：VINPVOUT共模输入范围VINPVOUT如上图所示，将运放接成这种闭环结构，构成了一个同相电压跟随器。该结构理想的传输函数H(s)=1，即VOUT=VINP。输入失调电压定义为集成运放输出端电压为一半供电电源时，两个输入端之间所加的补偿电压。同样采用以上的同相电压跟随器进行测量，对输入电压做直流扫描（从0V-3.3V），由于运放内部的差分放大器不可能百分百对称，存在管子不匹配，加上温漂等因素因此任何实际的运放总存在失调，从而导致在共模输入范围内，VOUT与VINP之间有一个很小的电压差，这个电压差就是输入失调电压Vos，输入输出特性如下图所示。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。2.2交流指标仿真测试电路及其原理分析：ACGAIN反映了运放增益随频率的变化，同时可以反映出运放的直流增益、开环带宽和单位增益带宽。PHASEMARGIN与系统稳定性相关。一般要求相位至少大于45度。采用以下电路能够测量运放的ACGAIN和PM等交流指标。该闭环系统的传输函数为：VOUTVINPVosVOUTVINP2()()1()11AsHsAssLC其中A(s)为运放的开环增益函数，β为反馈系数，使用电感电容反馈后，β为实数；从传递函数H(s)来看，若要使H(s)≈A(s)；则L和C的取值必须很大，才能使反馈系数β与开环增益A(s)的乘积值在高低频时都能远小于1。这里L0取100TH，C0取100TF，从而得到：()()HsAs因此，我们只需在VINP端加入交流信号（如DC=1.8V，AC=1V），观察VOUT端，用分贝表示幅频特性，可以得到其ACGAIN，PM，-3dB带宽和单位增益带宽。各指标如下图所示：3、相位裕度调整及原理分析根据交流指标仿真测试结果，该运算放大器的相位裕度大约为73˚左右，下一步工作是调整电路的参数使相位裕度达到90˚。由小信号等效电路我们可以得到总的传递函数为：1312(1/)()()()(1)(1)vcMpppAsCgVoutsHsssVins其中ωp1和ωp2为两个极点，利用密勒效应，其值如下：141131213212121/MnpvcMpcMppcgACgRRCgCCCCC系统存在右半平面的零点：13MpZcgC0˚φAv-180˚UGBW-3dBBWff|φ|PM=180˚-|φ|通过上述零极点分析，我们可以发现，若要使相位裕度大于60˚或者以上，则ωp1和ωp2两个极点要分的很开，也就是要满足ωp1ωp2，（如下图所示）这样可以让补偿电容的值取大一些；同时，由于零点是在右半平面上，附加相位将叠加在极点产生的附加相位上，为了减少零点带来的影响，零点的位置也应该远离UGBW，因此gMp13的值也应该取大一些，可以增大其W/L的值。不考虑影响带宽，增益以及工艺等因素，这里我们取Cc=200pF和gMp13的W/L=50，虽然有点不符合实际，但是的确能够提高相位裕度。七、实验步骤：1、Cadence环境的调入；2、建立新的Library；3、建立CellView；4、由Schematic产生symbol；5、仿真环境AffirmaAnalogCircuitdesignEnvironment的调用；6、参数调试与优化设计；八、实验结果及分析1、直流仿真测试结果：○1共模输入范围(ICMR)PM=180˚-|φ|ωp1ωp2时0˚φAv-180˚UGBWffωp1ωp2该运算放大器的共模输入范围为：0.5V-3.1V；○2输入失调电压(VOS)管子失配时，当输入为1/2VDD，即1.65V时，输出电压VOUT约为1.62V。因此Vos≈0.03V2、交流指标仿真测试结果：共模输入范围VINP=1/2VDD从仿真结果可以看出，当|Av|=0dB时，附加相移为107˚左右，此时的相位裕度PM=73˚左右GainPM-3dBBWUGBW82dB73˚3KHz40MHz3、相位裕度调整测试结果：如上图所示，为了提高运算放大器的相位裕度，我们修改Cc的值和gMp13的W/L，令Cc=200pFW/L=50，相位裕度PM=85˚，十分接近90˚，如下图所示：0dB-107˚UGBW=40MHz-3dBBW=3KHzACGAIN=82dB九、实验总结、建议与思考题解答：总结：1、该两级运算放大器由三部分组成，分别是偏置电路，第一级差分放大器和第二级共源放大器，各项指标如下表所示：ICMRVosGainPM-3dBBWUGBW0.5V-3.1V0.03V82dB73˚3KHz40MHz2、学习并了解了UNIX操作系统常用命令的使用，CadenceEDA仿真环境的调用，能熟练掌握各种分析的参数设置方法；3、学习了电路性能的优化与器件参数调试的基本方法，达到预定的技术指标。建议：1、仿真之前应该了解电路的构造，这样才能更快地优化参数，而不是漫无目的的乱调，建议老师实验之前就该把电路发下来让学生进行初步分析，提高实验的效率。思考题解答：1、在第二级共源放大管处引入米勒补偿电容，如果去掉该电容，ACGAIN在低频处不变，但在高频处下降的更快；同时会降低PM的值。-95˚0dB