基于Spectre运算放大器的设计Word文档下载推荐.docx

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3.1原理图的绘制电路编辑器界面绘制原理图如下：

首先在Cadence

3.1电路原理图图MOS管的参数如下表：

原理图中InstancenameModelW/mL/mMultiplierLibrary

CellnameViewname

symbol800n500n1Gpdk180M1nmosnmosl

Gpdk1801symbolM2nmosnmosl500n800n

Gpdk180M31.1upmoslpmos550nsymbol1

Gpdk1801.1u

550n1

M4pmoslsymbolpmos

1

500n800nnmos

Gpdk180symbol

nmosl

M5

M6nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbol

另：

图中所使用的电压源为5v

3.2运算放大器的增益仿真

首先绘制测试电路原理图如下：

图3.2.1运算放大器增益仿真电路图

图中包含运算放大器电路和偏置电路两部分。

偏置电路为运算放大器提供电源电压（VDD）、共模电压（Vcm）以及偏置电流（Ibias），从而确定运算放大器的直流工作点。

输入电压加在运算放大器的两个输入端之间，大小设置为1V的交流信号，从而使得输出电压的大小与增益一致，从而减少了设计步骤。

在ADE窗口选择交流仿真，扫描变量为频率，扫描范围为。

完成设置后进行仿真。

0.1Hz~1GHz

因为输入交流电压是1V，因此输出端“Vout”的电压值等于运算放大器的增益。

为了观察幅频特性，需要计算输出端电压的幅值。

通过“Mag”，对“Vout”进行取幅值的预处理，然后就可以将处理好的仿真结果输出到“Waveform”中观察。

得到如下图：

图3.2.2增益的幅频特性

对于运算放大器的幅频特性，除了直接显示幅值以外，更一般的是显示增益幅值的dB曲线，即对幅值作“20log（n）”变化，得到如下图所示：

图3.2.3增益幅值的dB曲线

对于运算放大器的相频特性，在“ResultsBrowser”中选择“phase”函数对交流仿真结果进行预处理后输出得到。

并通过“Append”命令，将相频特性添加到原有的幅频特性中，如图所示：

图3.2.4红色代表“幅频”，蓝色代表“相频”

3.3运算放大器的带宽仿真

这里说的带宽，主要是指运算放大器的小信号带宽。

常用的义

带宽和单位增益带宽。

仿真原理图如下：

3dB有两个：

图3.3.1带宽仿真电路图

3.3.13dB带宽

定义：

Av（w0）=20lgAv（0）-3dB

首先观察增益的幅频特性曲线，并根据3dB带宽的定义测量得到3dB的带宽。

在“Waveform”窗口中，将光标移到增益幅频曲线的低频部分，点击快捷键“m”，在曲线上添加标签，给出标记点的横坐标和纵坐标（1.1118Hz，37.24dB）。

接着点击快捷键“V”，将光标切换成竖直光标类型，即光标变成一条垂直的直线，并且直线上方有一个红色的倒三角，通过拖动该三角，可以移动垂直光标。

如图3.3.2所示，垂直光标和运算放大器增益幅频曲线的交点的坐标（7.8915MHz，34.27dB）在波形的左上角给出，并随着垂直光标时，输入信号的频率为34.27dB的左右移动实时改变。

当增益为

7.8915MHz，因此可以近似认为3dB带宽为7.8915MHz。

图3.3.2增益的幅频特性曲线

精确获得3dB带宽的方法是使用“Calculator”软件中“bandwidth”函数。

在“ResultsBrowser”中的“ac-ac”中选择“Vout”仿真结果。

右键选择“Calculator”。

仿真结果被输送到“Calculator”中，选择“bandwidth”函数。

输入参数点击“OK”完成“bandwidth”的设置，点击“Eval”键，将在“Calculator”缓存窗口中显示计算的运算放大带宽。

如下图所示：

3dB器的．

图3.3.33dB带宽

从图3.3.3中科院看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz。

3.3.2单位增益带宽

和3dB带宽一样，运算放大器的单位增益带宽也可以用“Calculator”中的“cross”函数计算，该函数是专门用来计算曲线经过一个特定阈值的横坐标。

对于计算单位增益带宽，只需要对运放的增益曲线使用“cross”，并将阈值设为“1”，函数返回的值即是运的到：

”Eval“函数的参数后点击”cross“设置好放的单位增益带宽。

．

图3.3.4单位增益带宽

从图3.3.4可以看出该运算放大器的单位增益带宽约为556.4MHz。

3.4运算放大器的建立时间

建立时间（settlingtime）是衡量运放反应速度的另一项重要指标，它表示从跳变开始到输出稳定的时间。

它主要是针对运算放大器的小信号特性，在跳变过程中，运放还保持线性。

在实际电路设置中，可以通过“Calculator”中的“settlingtime”函数来测量运算放大器的建立时间。

首先将运放连接成单位增益负反馈的形式，即将运算放大器的反相输入端和输出端短接，从而使得负反馈系统的闭环增益为1，即输入电压跟随加载在运算放大器同相端的输入信号。

在运算放大器的同相．

载一个幅度为2mV的阶跃信号，如下图所示：

图3.4.1建立时间仿真电路图

差分输入的阶跃信号电压源使用一个脉冲电压源来模拟。

该脉冲电压源可以在“analogLib”库中找到，其名为“vpulse”。

脉冲的低电平为0V，高电平为2mV，跳变延迟为10ns，上升和下降沿宽度为10ps，脉冲宽度为1s。

因此当瞬态仿真时间小于1s时，都可以将该脉冲电压看作10ns处跳变的阶跃电压。

因为建立时间是运算放大器在时域对输入信号响应的一个性能窗ADE参数，因此为了对此进行仿真测量，需要进行瞬态仿真。

在．

口中选择“tran”，结束时间设为“200ns”，仿真精度设为“conservative”，将“Vout”作为输出端，开始仿真。

图3.4.2建立时间瞬态仿真

在“Calculator”中保持“SelectMode”处于选择状态，在选择模式中选择“tran”里的“vt”项，点击电路图中的“Vout”，将“Vout”端的瞬态电压仿真结果捕获到“Calculator”中，设置好参数后点击：

下如果结算计到得”Eval“

图3.4.3建立时间计算结果

从图中可以看出该运算放大器的建立时间为17.5ns。

运算放大器的相位裕度仿真3.5

图3.5.1相位裕度仿真电路图

相位裕度（phasemargin,PM）是电路设计中很重要的一项指标，主要用来表示负反馈系统的稳定性，同时可以用来预测闭环系统阶跃响应的过程。

相位裕度的定义为：

运算放大器增益的相位在增益交点频率时，与-180°

相位的差值，表达式为：

PM=∠Av（wl）-（-180°

）=∠Av（wl）+180°

，式中wl为运算放大器的增益交点频率（使增益幅值等于1的频率点为“增益交点”）。

利用“Calculator”的“phase-Margin”函数获得运算放大器的相为裕度如下图所示：

图3.5.2相位裕度

从图中可以看出该运算放大器的相位裕度为65.33°

。

3.6运算放大器的转换速率仿真

转换速率仿真电路图3.6.1图

进行瞬态仿真后，输出电压的时域响应如下图所示：

图3.6.2输出电压的时域响应

从上图中可以看出，输出电压“Vout”在跳变之后的一段时间内并没有按指数规律变化，而是表现出具有不变斜率的线性斜率。

这就是负反馈电路中使用的运算放大器表现出的所谓“转换”的大信号特性，图中输出响应中的“斜坡”部分的斜率称为“转换速率”。

通过使用“Calculator”中的“slewRate”函数根据瞬态仿真结果计算运放的转换速率。

得到结果如下：

图3.6.3转换速率

从图中可以看出该运算放大器的转换速率约为0.4729V/us。

3.7运算放大器的共模抑制比仿真

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）仿真电路图如下：

CMRR（．

图3.7.1CMRR仿真电路图

再次进行交流仿真，得到输出端“Vout”的增益曲线，即为运算放大器CMRR的倒数的幅频特性曲线，这里为了方便观察，采用了dB作为纵轴单位。

倒数的幅频特性曲线3.7.2CMRR图

用以使曲线，可的算放大器CMRR幅频特性观为了察运1/X”函数，对仿真结果取倒数。

“Calculator”中的“

的幅频特性曲线（蓝色曲线）图3.7.3CMRR运算放大器电源电压抑制比仿真3.8为了有效抑制电源噪声对输因为在实际使用的电源也含有噪声，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器输出出信号的影响，把运算放大器输入到输出增益除以电源到输出的增益定义为运端的。

，所以电Powersupplyrejectionratio,PSRR）算放大器的电源抑制比（源抑制比可以写为：

A/V?

0ddV=PSRRA/V?

0inDD式中的Vdd=0和Vin=0是指电压源和输入电压的交流小信号为零，而不是指它们的直流电平。

仿真电路图如下：

图3.8.1PSRR仿真电路图

再次进行交流仿真，得到输出端“Vout”的增益曲线，即为PSRR的倒数的幅频特性曲线。

3.8.2PSRR倒数的幅频特性曲线

”函数，对仿真结果取倒数。

如下1/X”中的“Calculator使用“

图所示：

图3.8.3PSRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）

由于电路仿真时，认为MOS管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS管的失配情况，因此仿真得到的PSRR都要比实际测量时好，因此在设计的时候需要留有余量。

四：

运算放大器的版图布局

4.1版图设计

这次我们的版图设计采用的是对管的形式，即对角线为一个管子，采用并联的形式将两个管子并联起来作为一个管子。

这样做的好处是可以抵消电流差，是电流保持一致。

首先我们调用四个pmos和七个nmos单元，将两个pmos并联形成一个pmos，两个nmos并联形成一个nmos，将剩余的一个nmos单独使用。

然后根据原理图连接如下图所示：

图4.1.1差分运放版图

4.2版图验证

首先进行DRC电气规则检查，然后进行LVS检查，得到如下图所示结果了，则证明版图没有错误：

版图验证无误后进行设计的后仿真，打开测试电路，启动ADE仿真窗口。

选择Steup→Environment,在框内schematic前加入av_extracted，点击OK。

接着运行得到的波形图与前仿真图进行对比：

图4.2.1后仿真波形图

对比两图可以看出他们的波形一致。

感想：

从这次课程设计中，我学到了很多东西，我巩固了对这个软件的使用，进一步了解版图的设计方法，在设计版图的过程中也遇到了许多困难，在解决这些困难的过程中，我学到了很多新的知识，学会了如何直接在版图中直接调用原理图，总之，这些对我以后的学习都很有帮助。