运算放大器的测量和仿真

运算放大器的测量和仿真1.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要求也不一样，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。

运算放大器的测量和仿真类别包括：开环增益、开环频率响应（包括相位裕度）、输入失调电压、共模增益、电源抑制比、共模输入输出范围、开环输出电阻和瞬态响应（包括摆率）。

AC相当于小信号仿真，步骤是先进行直流工作点仿真再进行小信号仿真，对于直流电源相当于短路DC可以仿真工作点，范围等相当于现实物理模型的仿真，接近真实情况表1 MOS运算放大器技术指标总表2.概述总体电路：Symbol：3.双端输入、单端输出运放性能参数仿真规范3.1 直流参数仿真3.11 失调电压（voltage offset ）的仿真差分放大器性能一个重要的方面就是所能检测到的最小直流和交流差模电压。

放大器的不匹配效应和温漂都在输出端产生了难以区分的直流差模电压。

同样不匹配的温漂会使非零的共模输入—差模输出和非零的差模输入—共模输出增益增大，非零的Acm-dm对于放大器尤为重要，因为它将共模输入电压转换为差模输出电压，但在下一级说过有人要的时候，却被当做差模电压信号。

只有在输入失调电压和输入失调电流都存的是情况下，失调模型才是正确的。

如在输入端加一个内阻为零的理想电压源，输入的失调电流对于放大器的输出就没有任何影响，输入失调电压需要模拟不匹配的影响；如果在输入端加载一个内阻无限的理想电流源的话，输入的失调电压对于放大器的输出时没有任何影响的，输入失调电流源需要模拟不匹配的影响。

这两个参量往往是温度和共模输入的函数。

共射对中失调的主要原因在于晶体管积极宽度、基极掺杂层和集电极掺杂层的不匹配，发射极有效面积不匹配，集电极负载电阻的不匹配。

在MOS管中，因为输入阻抗无穷大，所以不存在输入失调电流，只有输入失调电压。

失调电压（voltage offset）：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）。

由于是差分输入，又是单位增益放大器(输入失调电压是输入为零的时候，输出电压与放大倍数的比值是输入失调电压)，失调电压即输出与输入之差，也就是两个输入之差，差分输入电压源给予偏置电压，设置直流工作点 2.5V。

这样的失调电压是由两部分组成的：由器件的失配引起的和放大器的增益不是无穷大引起的。

输出节点是2.498V 即V OS = |Vo - Vi| (mV)=5-2.498=2mV3.12 系统失调电压温度系数（Vio）的仿真定义：系统失调电压随温度的变化率。

单位：uV/℃对Temperature仿真。

设置值一般为-55——125。

运行Netlist and Run注意：此时运算结果是放大器内部失调和温度失调的双重结果3.13 共模电压输入范围（input common_mode range）和输出摆幅的仿真ICMR：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。

对于运放本身的共模输入范围，可以通过下图所示电路，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。

输出摆幅：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。

测试电路：（此电路忽略了输出和输入摆幅的相互制约）ICMR=2.869V注意：由于输出和输入摆幅的相互制约，该电路结构不能正确测量范围，应该用下列电路处理，可以解决。

(a)测量输出摆幅(b)测量输入共模范围3.2 直流参数仿真3.21 开环增益(open loop gain)开环增益：低频工作时(<200Hz)，运放开环放大倍数L=1 GH 增益是小信号概念，是在交流情况下输出的变化量比上输入的变化量的值，在这里电感起到了隔交的作用，因此交流下未形成闭环。

C=1 GF 在直流情况下，在这里电容起到了隔直的作用，该电路在直流情况下工作在闭环状态下。

为AMP设置了合适的工作点。

在交流情况下工作在开环情况。

这样令激励源AC=1V ； 输出OUT既是开环增益。

交流增益为67.7dB，大概幅值有2500。

相位裕度有77°，符合要求增益裕度有-22dB主极点位置在13K次主极点位置在117.8M单位增益带宽为32M-3dB带宽为13K，由主极点位置决定增益带宽积：随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降 0dB 时的频率即为GB； 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。

如果将补偿电容由6.9p改成700f仿真结果如下：相位裕度只有31度。

3.2.2. 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平坦带宽为衡量标准，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。

假设该放大器只有一个极点：()1A A s s ω=+0A 表示低频增益，0ω表示2dB带宽，则闭环传输函数为：()()()0000000000011()1()1111111A A s A A Y s A s s X s A s 0s A A ωωωωω++===≈++++++++极点的位置移动了()01A +倍。

从图中可以看出，由于开环的相位裕度比较大（77度），闭环曲线的转折频率处就不会出现明显的过冲。

如果将补偿电容由6.9p改成700f仿真结果如下：此时过冲很大，系统出现不稳定3.2.3.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。

如果运算放大器有差分输入和单端输出，其小信号输出电压能用其差分模式输入电压及共模输入电压（和）描述，如下列方程：id v ic v o dm id cm v A v A v =++ic其中dm A 是差模增益而cm A 是共模增益，根据定义：dm cmA CMRR A = CMRR能被认为是由共模输入电压的单位变化引起的输入失调电压。

两种方法可以增加CMRR：减少过载电压提高镜像电流源的输出电阻（但会减小ICMR）V1=V2=Vcm=1V 设置AC Magnitude =1仿真电路：根据定义12(12)2out cm dm V V V A A V V +=+− （1） V1=Vout+VcmV2= Vcm带入（1）式out cm cm out ()V +V 2V V out cmdm V A A +=+− 整理得 cm 1(/V out cm dm cm V A A A =+−2)0cm A ≅；且，V 1dm A cm =1 则：1cm out dm A V A CMRR ==CMRR可以达到117K。

3.2.4 电源电压抑制比（PSRR）的仿真假设电源供应电压是恒定的，以便运算放大器输出电压仅取决于提供给运算放大器的差分及共模的输入电压。

然而，在实际中电源电压并不是恒定的，在电源电压上的变化将影响运算放大器的输出。

定义：PSRR 表示差模增益A v 与差模输入为零时电源波纹到输出的增益的比值。

(0(0v dd dd in A V PSRR A V ))=== V dd 是V DD 的电源波纹，PSRR + 是V DD 的PSRR 。

如果我们将运算放大器接成单位增益模式，输入一个与电源V DD 串联的交流信号V dd ，V o / V dd 将是PSRR + 的倒数。

V out 由两部分组成（这里忽略了共模输出），一个是差模输出——Av （Vn-Vp ）=Av （-V out ），一个是电源波纹引起的输出——V dd A dd ()out v out dd dd V A V V A =−+11out dd dd dd v v V V V A A A PSRR +=≈=+因为V dd =1V ，这样输出曲线的倒数就是所要求的PSRR +仿真电路图如下：注：仿真时将电源电压设置为AC源，进行AC分析。

令Vdd=1V。

PSRR=860接下来对电路进行了-55—125度的温度仿真，结果如下：3.2.5 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。

开环输出电阻：95欧姆输出电阻为39m欧3.3 瞬态参数仿真4.3.1 转换速率（slew rate）、建立时间（setup time）的仿真转换速率（slew rate）：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。