eetop.cn_CMOS运放性能参数仿真规范

CMOS运放性能参数仿真规范 (保密文件，内部使用) 芯海科技有限公司 版权所有 侵权必究 目 录 224其它 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.4其它性能的仿真测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.3最坏情况仿真测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3.2极限参数仿真测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3.1工艺容差及温度特性的测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3运放其它特性参数仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2.3瞬态参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2.2交流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.1直流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2跨导运放(OTA)性能参数仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1.4瞬态参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1.3交流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.2共模输入范围的仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1.1直流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1全差分运放性能参数仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2.3瞬态参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.2交流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2.1直流参数仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1MOS运算放大器技术指标总表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53CMOS运放仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4MOS运放性能参数仿真规范 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 表目录 5表1 MOS运算放大器技术指标总表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图目录 10图10 共模抑制比仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10图9 闭环频响曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9图8 幅频、相频曲线图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9图7 开环增益仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8图6 输出摆幅与负载电阻的关系曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8图5 输出动态范围的仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7图4 共模输入范围输出结果参考图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7图3 共模电压输入范围的仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6图2 Vos温度特性参考图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6图1 输入失调电压仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第2页，共22页 21图35 正向跨导幅频特性仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20图34 全差分运放正向跨导和线性范围仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20图33 正向跨导和线性范围仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19图32 全差分运放转换速率仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19图31 全差分运放电源电压抑制比仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18图30 全差分运放共模抑制比仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18图29 全差分运放频率响应仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17图28 全差分运放输出动态范围仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17图27 全差分运放共模输入范围仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16图26 全差分运放失调电压仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16图25 THD与输出信号幅度的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16图24 THD与频率的关系曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15图23 建立时间曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15图22 大信号瞬态响应曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14图21 小信号瞬态响应曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14图20 转换速率仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14图19 电路瞬态响应曲线示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13图18 输出噪声频谱密度曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13图17 噪声分析仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12图16 输出阻抗的频率曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12图15 输出阻抗仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12图14 PSRR温度曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11图13 PSRR频率曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11图12 电源电压抑制比仿真电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10图11 CMRR频率曲线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第3页，共22页 MOS运放性能参数仿真规范 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）的性能参数的定 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载，包括电阻、电容负载，还应包括电流源负载，只有负载确定之 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能指标也不一样，并不需要在任何时候都要将运放的所有指 标都进行仿真，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能指标信息的一种手段，它需要一些相关的条件来支持，当我 们忽略了某一条件或根本没有弄清还有哪些条件时，DC、AC分析的结果就可能与实际情况不一致， 导致错误的发生。瞬态仿真则是反映出电路工作的现象，只有瞬态仿真通过，才能说明电路具备 了相应的能力。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好，但如果实际电路前 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分析结果都可以用瞬态仿真 加以验证。 以下仿真电路，只画出了电阻、电容负载，没有给出电流源负载，在进行电路的仿真时，要 根据实际情况，酌情考虑电流源负载的影响（实际上电路动态工作时，一定有输出电流）。一般 情况下，电阻、电容负载是相对于共模电压的（不是GND），不会引入静态电流，但在某些场合， 如输出驱动电路，其电阻负载是对地的，此时会引入静态电流，这些东西在实际仿真时都是要考 虑的。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第4页，共22页 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 oC工作温度TA V偏置端直流输入电压VBI V差模输入电压范围VIDR mW允许功耗PD V电源电压VCC 极限 全功率带宽BWfull 总谐波失真THD 建立时间TS V/µs转换速率SR 瞬态 kΩ输出电阻RO kΩ差模输入电阻RID dB共模抑制比CMRR dB电源电压抑制比PSRR oC相位裕度PM MHz单位增益带宽GBW dB开环增益AVO 交流 V输出峰－峰电压VOPP mA输出峰－峰电流IOPP µV/oC输入失调电压温度系数αVOS mV输入失调电压VOS V共模输入范围ICMR 1/V跨导与偏置电流的比值gm/Ibias V线性输入范围VID µS正向跨导gm mA电源电流ICC 直流 单位参数名称符号参数类别 3.2 双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范 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，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏差， 使得输出不为零，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（VOS）。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第5页，共22页 仿真电路： 图1 输入失调电压仿真电路 注：对单电源运放，Vi取幅度为共模点的直流电压，对双电源运放Vi=0。 对电路进行OP分析 和工艺容差分析，测出Vo值（可在artist的Result broswer中查到Vo值）。则有： VOS = |Vo - Vi| (mV) 3.2.1.2 系统失调电压温度系数（ ）的仿真�Vio 定义：系统失调电压随温度的变化率。单位：uV/ ℃ 仿真电路同（图1）。仿真时对温度进行DC分析。 在simulate include file菜单下加入以下语句： .DC temp -40 115 1 -40——起始温度 115——截止温度 1——Step 测试输出电压DC波形即可。 以下为ADI公司产品AD8057电路的Vos温度特性。（摘自AD8057数据手册） 图2 Vos温度特性参考图 注：图中分别给出了电源电压为±1.5V和±5V时的Vos温度特性。 3.2.1.3 共模电压输入范围（input commom-mode range)的仿真 定义：对理想运放，当输入共模电压时，输出应为零（即保持共模电压不变），而对实际 运放，输入共模电压时，输出不为零，当共模电压超过一定值时，运放不能再对差模信号进行正 常放大。在正向共模电压不断增大时，使得共模抑制比（CMRR）下降6dB时的共模电压为正向共 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第6页，共22页 模输入电压（Vicm(+)），同理，CMRR下降6dB时的负向共模输入电压为Vicm(-)。则共模输入范 围为：Vicm(-)~Vicm(+)。 仿真电路： 图3 共模电压输入范围的仿真电路 注：Vi取幅度为共模点的直流DC电压源，负载RL、CL根据实际电路确定，对电路进行DC分 析（From Vss to Vdd by 0.01V）。测量时，R1＝R3，R2=R4，观察Vo波形，注意以下几点： 1.测试Vo波形呈线性变化时对应Vi的范围； 2.测试线性变化时的斜率，斜率的倒数即为CMRR； 3.CMRR向上下降6dB和向下下降6dB时对应的Vi变化范围即为共模电压输入 范围。 还有一点必需注意的是，图2所示电路是运放在闭环应用时，闭环电路的共模输入范围，并不 是运放本身的共模输范围，实际上，运放的共模输入电压为：[R2/(R1+R2)]*(Vi-Vcom) 以上电路测试的虽然不是运放的共模输入范围，但它能反映出运放是否能将输出电压稳定在 共模电压上的一种能力，尤其在全差分运放的设计时，这种仿真能够反映出共模负反馈电路稳定 输出共模点的能力，必要时不但要进行DC分析，还要在最大限度改变输入信号的共模电压的基础 上进行TRAN分析，确保在整个共模输入范围内，运放都能将输出电压稳定在Vcom附近。 对于运放本身的共模输入范围，可以通过图1所示电路，对输入信号在0~Vdd范围内进行DC分 析，测试输出电压能够跟随输入电压的的范围，即为运放的共模输入范围，这种方法是建立在输 出摆幅不影响输入范围的基础之上，一个比较简单实用的方法是根据电路的静态工作点，计算出 共模输入范围。 以下为ADI公司产品AD8022的共模输入特性： 图4 共模输入范围输出结果参考图 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第7页，共22页 3.2.1.4 输出动态范围（output swing） 的仿真 定义：输出动态范围是在额定的电源电压和额定的负载情况下，运放可提供的没有明显失 真的最大输出电压范围。 仿真电路： 图5 输出动态范围的仿真电路 注：Vi为偏置于vcom上的DC电压源，仿真时取R2=R4，R1=R3，一般应有R1≤R2，这样才能 保证运放的输出动态范围不受输入动态范围的影响。 在0~Vdd范围内，对电路进行DC分析： 观察Vo点波形，测试输出电压的线性跟踪范围，即为输出动态范围。 为确信其间，做完DC分析之后，还应做TRAN分析加以验证： 不断加大输入信号的幅度，直 至输出信号有明显失真，此时的输出电压的幅度，即为输出动态范围。 显然，输出摆幅是受负载电阻大小的影响，当负载电阻太小时，输出摆幅将由输出级的电流 决定，为Io*RL，以下为输出摆幅与负载电阻的关系曲线： 图6 输出摆幅与负载电阻的关系曲线 注：以上结果摘自AD8057数据手册。 图中分别给出了正、负输出摆幅的曲线，电源电压为±5V。 3.2.2 交流参数仿真 3.2.2.1 开环增益(open loop gain)、增益带宽积(GBW)、相位裕度( phase margin)、增益 裕度(gain margin)的仿真 定义： 开环增益：低频工作时(<200Hz)，运放开环放大倍数； 增益带宽积：随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW； MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第8页，共22页 相位裕度：为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时，相位的移动应小于180度，一 般 取余量应大于60度，即相位的移动应小于120度； 增益裕度：为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证：当相位移动达到180度时，增益 要小于0dB，一般要有10dB裕量，即当相位移动达到180度时，增益要小于-10dB。 仿真电路： 图7 开环增益仿真电路 注：Vi为幅度为1，相位为0的交流信号（vsin)。对电路进行AC分析（From 1Hz to 1GHz by 100point/doc) 。负载RL、CL根据实际电路确定。 以下为AD8057电路的幅频、相频曲线： 图8 幅频、相频曲线图 3.2.2.2 闭环频率特性仿真 闭环频率特性是与开环频率特性相关的，它是开环频率特性的一种验证，如果开环时的相位 裕度不够，在闭环曲线的转折频率处就会出现过冲，相位裕度越底，过冲越大，一般在相位裕度 为70deg以上时，才没有过冲。 由于过冲的存在，在仿真闭环频率特性时，以0.1dB平坦带宽为衡量，即增益随频率的变 化小于0.1dB的带宽，很显然，在不同的应用场合，变化范围是可以不一样的。 以下为AD8057的闭环频响曲线： MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第9页，共22页 图9 闭环频响曲线 3.2.2.3 共模抑制比（CMRR）的仿真 定义：CMRR即为差模电压增益与共模电压增益之比，并用对数表示。 CMRR = 20log(Aid / Acm) CMRR越大，则运放的对称性越好。 仿真电路： 图10 共模抑制比仿真电路 注：Vi取 幅度为1V且偏置于vcom上的交流电压源。R可取20K(或其它合适值)。对电路进行 AC分析，观察Vo点波形。1/Vo即为CMRR值。 以下为AD8057电路的CMRR曲线： 图11 CMRR频率曲线 注：以上给出的实际上是CMRR的倒数。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第10页，共22页 3.2.2.4 电源电压抑制比（PSRR）的仿真 定义：PSRR可用下式表示： PSRR=-20log[(1/Av)*(dVo/dVdd)] 当双电源供电时，电路的参考点电位一般是零电位点（GND），此时应分别给出正、负电源 Vdd和Vss的PSRR；而对单电源供电情况，电路的参考点电位一般是GND，此时只要给出电源电压 的PSRR即可。 正电源电压用PSRR+，负电源电压用PSRR－表示。 仿真电路： 图12 电源电压抑制比仿真电路 注：仿真时将电源电压设置为AC源，进行AC分析。 以下为AD8057的PSRR曲线： 图13 PSRR频率曲线 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第11页，共22页 admin 线条 admin 线条 图14 PSRR温度曲线 3.2.2.5 输出阻抗分析 定义：输出阻抗是指运放闭环应用时的输出阻抗，如果把闭环系统作为一个电压源来看， 则输出阻抗即为该电压源的源电阻。 以跟随器为例说明输出阻抗的仿真方法： 仿真电路： 图15 输出阻抗仿真电路 仿真时，对输出电流源进行交流分析，（注意电流源的DC电流要与实际应用时的相等，因为 在不同的负载电流条件下，输出阻抗不相等），测试输出电压的波形，即为输出阻抗的频率曲线， 将dB值直接转换成绝对值即可。 以下为AD8057的输出阻抗曲线： 图16 输出阻抗的频率曲线 3.2.2.6 噪声分析 噪声分析可以仿真出电阻热噪声、晶体管热噪声和1/f，仿真时必须有厂家给出的noise模型 参数，否则仿真结果没有价值。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第12页，共22页 噪声是一个频带的概念，也就是我们考虑噪声总是指一定频率范围内的噪声，所以噪声分 析必需与AC分析同时进行，ARTIST的仿真结果以文件形式输出，给出仿真频带内总的输出噪声电 压、等效输入噪声、平均噪声密度和噪声频谱密度（各频率点的噪声），用awaves仿真时，可以给 出噪声的频谱图。 仿真电路： 图17 噪声分析仿真电路 以下为AD8057噪声曲线： 图18 输出噪声频谱密度曲线 3.2.2.7 群延时（group delay）的仿真 定义：群延时是反映电路相位失真的一项指标，相位失真是由于不同频率的信号经过系统 时产生的延时不一样造成的，群延时即定义为相位随频率的变化率，也就是相位对频率求导。 若相位的单位为度（deg），频率的单位为赫兹（Hz），群延时的单位为秒，则： GroupDelay=(dphase/df)/360 仿真电路即为实际电路，对其进行AC分析，得出相频曲线，在用计算器进行上式的运算即可， 得到群延时的曲线。 注：群延时在运放的仿真中一般并不重要，它是针对系统而言的，一般是对某一系统做群延 时仿真。在此列出是因为该指表在模拟信号处理电路中占很重要的位置，但却总是被忽视，是因 为不太容易理解群延时的概念和仿真方法。 3.2.3 瞬态参数仿真 3.2.3.1 转换速率（slew rate）、建立时间（setup time）的仿真 定义：转换速率：运放输出电压对时间的变化率，在测试转换速率时，应取最大变化率。 设输出电压为： 则： Vo = Vom & sinsinsin*t （V/us）Sr = dVodt |maxmaxmax = Vom &* MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第13页，共22页 可见Vom=SR/ω，因此，当工作频率（ω）增大时，若SR太小，则运放输出达不到Vom，即 运放输出跟不上输 入信号的变化。所以，必需保证运放的SR要大于输入信号的最大变化率。 建立时间：表示大信号工作时运放性能的一个重要参数，是指运放接成跟随器（或增益为 -1的反向放大 器时，输入阶跃大信号（Vi），输出电压从开始响应到稳定值为止的时间。稳定值 的误差范围一般为0.1%Vi. 建立时间既表示了运放的转换速率，又表示了其阻尼特性（与Phase margin有关）。 转换速率、建立时间的定义可参考图18： 图19 电路瞬态响应曲线示意图 仿真电路： 图20 转换速率仿真电路 注：Vi为阶跃大信号， 幅度为运放实际应用时的输入信号范围，进行TRAN分析。在测试 Slew rate时应分别测出上升阶段的Sr+和下将阶段的Sr-，且应测最大斜率。 建立时间为达到所需精度的最小时间。 瞬态响应一般要分别给出小信号（<200mV）和大信号（在共模输入范围内）的响应曲线，以 下为AD8057的瞬太响应曲线： 图21 小信号瞬态响应曲线 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第14页，共22页 图22 大信号瞬态响应曲线 图23 建立时间曲线 3.2.3.2 总谐波失真(THD)分析 定义：由于电路的弥散性，使得单频信号经过系统之后，不再是纯单频，而且包含了单频 的各次谐波成分，假设输出电压表达式为： Vo=a0 + a1sinωt + a2sin2 ωt + a3sin3 ωt + ⋯ +ansin nωt a0为直流分量。 则，THD的表达式为： THD = −20 logloglog( |a2 2|+|a32|+⋯+|an2| |a1| ) 仿真电路即为实际应用电路，对输入单频信号进行瞬态分析，用计算器对输出电压求THD， 时间为一个周期，点数可为1024或其它2的整数次幂，即可得到THD值，当只给运放做THD分析时， 可以将运放接成跟随器或增益为A的同相放大器。 注：artist中的计算器，求出的THD是按下式计算得出的： THD = 100 & |a2 2|+|a32|+⋯+|an2| |a1| 所以在用计算器求THD的时候，要进行求-20dB和加40dB的处理。 THD是反映输出信号幅度失真的一相指标，通过它可以定义出运放的全功率带宽（full power BW），全功率带宽是指，信号经过系统时，在输出摆幅的范围内，能够进行无失真（幅度）传输 的最高频率信号的频率，所谓“无失真”是指THD值满足规定的指标。 THD与输入信号的频率和输出信号的幅度相关，以下是AD8057的THD指标曲线： MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第15页，共22页 图24 THD与频率的关系曲线 注：上图给出了二次谐波、三次谐波和总谐波失真的频率曲线。 图25 THD与输出信号幅度的关系 3.1 全差分运放性能参数仿真规范 3.1.1 直流参数仿真 3.1.1.1 失调电压的仿真 仿真电路： 图26 全差分运放失调电压仿真电路 注：全差分运放的系统offset为0，若要测试其随机offset，应将全差分运放的输入差分管的宽 长比有意识地偏差一点（具体多少按工艺条件确定）。为了使得两输出端电压偏置于vcom，应保 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第16页，共22页 证共模负反馈电路的正常工作。将该电路进行OP分析，测出vo+,vo-的差值，即为offset值。即： Vos=|vo+-vo-|. 3.1.2 共模输入范围的仿真 仿真电路： 图27 全差分运放共模输入范围仿真电路 注：在运放的两输入端加上共模信号源，并对其进行DC分析。 from 0 to vdd step 0.1 观察vop(或von)波形： 测试Vo 在vcom附近呈线性变化的范围。 线性变化的斜率值的倒数也即CMRR值。 分别测试CMRR向上下降6dB和向下下降6dB时的输入信号变化范围，即为共模输入范围。 与图3所示电路类似，本电路仿真的并不是运放本身的共模输入范围，但该电路能够反映出共 模负反馈电路稳定输出共模点的能力。在全差分运放的设计中，如果共模负反馈电路设计不当， 会出现这样的现象：当输入信号的共模电压超出某一范围后，运放的输入管截止，导致运放的输 出共模电压漂到电源电压（或地）上。 在进行DC分分析的同时，还应在实际电路中进行瞬态分析，最大限度的改变输入信号的共模 电压，测试输出共模电压能否稳定在所设计的值上。 3.1.2.1 输出动态范围的仿真 仿真电路： 图28 全差分运放输出动态范围仿真电路 仿真时，应有R1=R3，R2=R4，R1≤R2，测试VOP的线性跟踪范围，即为输出动态范围。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第17页，共22页 在进行DC分析的同时，还应在实际电路中，用瞬态分析加以验证：不断加大输入信号的幅度， 直至输出信号有明显失真，此时的输出电压的幅度，即为输出动态范围。 3.1.3 交流参数仿真 3.1.3.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 仿真电路： 图29 全差分运放频率响应仿真电路 注：仿真时，只要测试VOP单端的输出，即为全差分运放的频率曲线，无需做VOP与VON的 差分。（这与输入信号源的幅度有关，若AC=0.5，则测试时必需取差分） 3.1.3.2 共模抑制比的仿真 仿真电路： 图30 全差分运放共模抑制比仿真电路 以幅度为1，相位为0的AC电压源为共模输入信号，进行AC分析，观察VOP(或VON)点波形， 即可测试出输入共模电压变化对输出共模电压的影响。 注：由于全差分运放的对称性，它对输入共模电压有很好的抑制功能，一般不考虑CMRR。图 29所示电路，仿真的实际上是输入共模电压变化对输出共模电压的影响，而非真正意义上的共模 抑制比。 3.1.3.3 电源电压抑制比的仿真 仿真电路： MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第18页，共22页 图31 全差分运放电源电压抑制比仿真电路 进行AC分析，观察VOP(或VON)点波形，即可测试出电源电压变化对输出共模电压的影响。 注：由于全差分运放的对称性，它对电源电压的变化有很好的抑制功能，一般不考虑PSRR。 图30所示电路，仿真的实际上是电源电压变化对输出共模电压的影响，而非真正意义上的电源电 压抑制比。 3.1.4 瞬态参数仿真 3.1.4.1 转换速率、建立时间的仿真 仿真电路： 图32 全差分运放转换速率仿真电路 仿真时，在vinp，vinn端分别加上幅度相等，相位相反的阶跃大信号，并将vp,vn两节点，用 ".ic"语句固定在vcom电压上。如： ·IC vp 1.65 ·IC vn 1.65 对电路进行TRAN分析，观察vop(or von)点波形，便可测试出电路的slew rate和settling time ， 仿真时，反馈电容不应取得太大，否则会给运放带来较大的额外负载。 电路中的C，RL，CL根据实际电路确定。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第19页，共22页 3.2 跨导运放(OTA)性能参数仿真规范 3.2.1 直流参数仿真 3.2.1.1 正向跨导（Transconductance〕及线性范围的仿真 定义： 正向跨导：当跨导放大器处于正常工作状态时，输出电流与输入差分电压的比值即为此跨 导放大器的正向跨导gm。 线性范围：随输入差分电压Vin的升高，跨导的值有所变化，跨导的最大变化量在允许的范 围内对应的最大差分输入电压即为线性范围。 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 注： 输出曲线的斜率即为正向跨导gm。 3.2.1.2 其它直流指标的仿真规范 其它直流指标的仿真，参照运放仿真规范相应指标的仿真规范。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第20页，共22页 3.2.2 交流参数仿真 3.2.2.1 正向跨导gm 的频率特性仿真规范 将OTA接成实际应用情况，即负载电阻、电容为实际值，按图19进行交流分析，由Vout的输 出波形的电压幅值除以负载电阻值，即为跨导gm的幅频响应曲线。 图35 正向跨导幅频特性仿真电路 3.2.2.2 其它交流特性指标的仿真规范 其它直流指标的仿真，参照运放仿真规范相应指标的仿真规范。 3.2.3 瞬态参数仿真 瞬态特性各种指标的仿真，参照运放仿真规范的相应指标的仿真规范。 3.3 运放其它特性参数仿真规范 3.3.1 工艺容差及温度特性的测试 3.3.1.1 工艺容差仿真测试 对MOS运算放大器的各种直流、交流、瞬态指标进行Monte Carlo (.MC)分析，分析特性指标 的随机分布情况。 关于Monte Carlo分析，一般以最好、最坏分析代替，部门并不提倡做Monte Carlo分析，有关 该分析的方法，请参考相关手册。 3.3.1.2 温度特性仿真测试 所有直流、交流、瞬态特性指标在最低、最高工作温度下的仿真。 3.3.2 极限参数仿真测试 3.3.2.1 工作电压范围的测试 将运放接成实际应用状态，对电源电压进行直流扫描分析(在工艺允许的电压范围内)，在保证 运放能正常的情况下，电源电压的变化范围即为工作电压范围。 3.3.2.2 工作温度范围的测试 将运放接成实际应用状态，对环境温度进行直流扫描分析(在工艺允许的电压范围内)，在保证 运放能正常的情况下，环境温度的变化范围即为工作温度范围。 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第21页，共22页 3.3.3 最坏情况仿真测试 最坏情况仿真是指在应用系统中，运放工作在某个(及某些)临界状态时的交流、直流、瞬态特 性指标的仿真。临界状态应根据运放的实际应用具体分析，主要包括工作温度、电源电压、输入 输出电流、MOS管的模型参数等。 3.3.4 其它性能的仿真测试 3.3.4.1 上电和掉电稳定性 的测试 将运放接成实际应用状态，将电源电压从0到工作电压值的上升沿为5～10mS的阶跃信号，要 求电源电压稳定后，运放能正常工作。 将运放接成实际应用状态，将电源电压从工作电压值下降至0，下降沿为5～10mS，要求在掉 电过程中，运放不振荡。 3.3.4.2 电源涌动对运放稳定性影响的测试 将运放接成实际应用状态，在电源上叠加一个方波电压信号，频率约为100KHz ～1MHz。要求运放不振荡。 4 其它 无 MOS运放性能参数仿真规范 机密 2004-09-04 版权所有，侵权必究 第22页，共22页