仿真增益带宽-通用运算放大器模型
一款高增益、低功耗、宽带宽全差分运放设计
一款高增益、低功耗、宽带宽全差分运放设计周吉;龚敏;高博【摘要】基于SMIC 0.18 μm工艺模型设计了一种低电压1.8 V下的高增益、低功耗、宽输出摆幅、宽带宽的运算放大器电路.采用增益自举技术的折叠共源共栅结构极大地提高了增益,并采用辅助运放电流缩减技术有效地降低了功耗,且具有开关电容共模反馈(SC-CMFB)电路.在Cadence spectre平台上仿真得到运放具有极高的开环直流增益(111.2 dB)和1.8V的宽输出摆幅,单位增益带宽576 MHz,相位裕度为58.4°,功耗仅为0.792 mW,在1 pF的负载时仿真得到0.1％精度的建立时间为4.597 ns,0.01％精度的建立时间为4.911 ns.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2016(016)005【总页数】5页(P26-30)【关键词】低功耗;运算放大器;高增益;宽带宽;折叠共源共栅【作者】周吉;龚敏;高博【作者单位】四川省微电子技术重点实验室,四川大学物理学院,成都610064;四川省微电子技术重点实验室,四川大学物理学院,成都610064;四川省微电子技术重点实验室,四川大学物理学院,成都610064【正文语种】中文【中图分类】TN402运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中一个完整且关键的部分，随着无线通讯技术和CMOS集成电路制造工艺技术的迅猛发展，电源电压越来越低，功耗要求越来越小，但数模混合信号系统对分辨率和速度的要求却越来越高，因此高性能的运放设计成为了必要［1］。
根据模拟电路设计的“八边形法则［1］”，运放的关键性能参数如增益、速度、功耗、输出摆幅等参数相互制约，这对高性能放大器的设计提出了许多难题。
因此，设计同时具有高增益、宽带宽、宽输出摆幅并且低功耗的放大器便成为了本设计的难点［1，2，3］。
高速、高精度的应用需要运放具有很高的增益和带宽，而这必然会增加运放的功耗，Mersi A.等发表的文献中采用两级带补偿结构的运放功耗仅为0.86 mW［4］，而这种结构对进一步提高运放带宽等有一定的局限性，本文采用了一种不同的低功耗运放结构，希望解决这个问题。
集成运放同相放大器的带宽测量(设计与仿真)实验报告
集成运放同相放大器的带宽测量（设计与仿真）实验报告一、实验目的1、熟悉放大器幅频特性的测量方法。
2、掌握集成运算放大器的带宽与电压放大倍数的关系。
3、了解掌握Proteus 软件的基本操作与应用。
二、实验线路及原理1、实验原理 （1）同相放大器同相放大器又称同相比例运算放大器，其基本形式如图所示。
输入信号U i 经R 2加至集成运放的同相端。
R f 为反馈电阻，输出电压经R f 及R 1组成的分压电路，取R 1上的分压作为反馈信号加至运放的反相输入端，形成了深度的电压串联负反馈。
R 2为平衡电阻，其值为R 2=R 1//R f 。
电压放大倍数为RR UU Afiuf101+==。
输出电压与输入电压相位相同，大小成比例关系。
比例系数（即电压放大倍数）等于1+R f /R 1,与运放本身的参数无关。
图 同相放大器 图 某放大电路的幅频特性（2）基本概念 1）带宽运放的带宽是表示运放能够处理交流小信号的能力。
运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真。
图所示为某放大电路的幅频响应，中间一段是平坦的，即增益保持不变，称为中频区（也称通带区）。
在f L 和f H 两点增益分别下降3dB ，而在低于f L 和高于f H 的两个区域，增益随频率远离这两点而下降。
在输入信号幅值保持不变的条件下，增益下降3dB 的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。
一般把幅频响应的高、低两个半功率点间的频率定义为放大电路的带宽或通频带，即BW=f H -f L 。
式中f H 是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而f L 则称为下限频率。
通常有f L <<f H ，故有BW≈f H 。
2）单位增益带宽运放的闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，随着输入信号频率不断变大，输出信号增益将不断减小，当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db （或是相当于运放输入信号的）时，所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。
运算放大器的设计与仿真-安超群
9、电源稳定性的判断，可以采用“巴克豪森判据”，即一个稳定的负反馈系 统需要满足的条件是在环路增益为 1时，反馈信号的相位变化小于180deg ；或当 反馈信号相位变化达到180deg 时，环路增益小于1。其数学表达式如下：
一个系统开环传递函数如果在右半平面存在极点，则系统是不稳定的。如果 只存在左半平面极点和零点，那么需要进一步在波特图中分析系统稳定性。
四、应用于DC-DC中的误差放大器
参考资料
模拟CMOS集成电路设计。毕查德.拉扎维。 模拟集成电路设计与仿真。何乐年。 CMOS模拟集成电路设计。P.E.Allen. 下载资料： CMOS运放性能参数仿真规范。 运放稳定性。 Frequency response.
谢 谢！
一、运放基础知识
? 几种常见的运放结构 ? 负反馈的基本原理 ? 运放性能指标参数
1.运放的基本结构
套筒式
折叠式
两级运放
2.负反馈基本原理
H(S)称为开环传输函数 Y(S)/X(S)称为闭环传输函数
T定义为环路增 益
增益误差是实际闭环增益与理想值偏差的百分数
例：图中的电路被设计成额定增益为 10，即1+R1/R2=10。要 求增益误差为1%，确定开环增益的最小值。
判断如下系统是否稳定？
两级运放的补偿 问题：为什么两级运放需要补偿？
密勒补偿原理：
控制零点的密勒补偿
测试原理图如下所示：
环路稳定性测试
环路增益，开环增益，闭环增益的关系？ 零极点的联系？
闭合速度稳定性检查法
如何估计零极点？
实例环路稳定性分析
开环 环路
闭环
由图可知，开环 GBW 必须小于闭环 的零点，才能保证环路的稳定性。
增益为1的放大器仿真
增益为1的放大器仿真增益为1的放大器是一种特殊的放大器，其输出信号的幅度与输入信号的幅度相等，但是为了实现这种增益，放大器需要提供一定的功率增益。
在本文中，我们将详细讨论增益为1的放大器的工作原理、设计和仿真。
1. 引言放大器是电子电路中常见的一个模块，它可以将输入信号的幅度放大到所需的水平。
增益为1的放大器是一种特殊的放大器，它不改变输入信号的幅度，但是仍然需要提供一定的功率放大。
2. 工作原理增益为1的放大器可以被看作是一个信号放大器和功率放大器的组合。
它首先接收输入信号并将其放大到所需的水平，然后通过一个功率放大器将放大后的信号输出。
3. 设计设计增益为1的放大器可以通过两个步骤完成：选择一个合适的信号放大器并选择一个合适的功率放大器。
3.1 信号放大器选择在选择信号放大器时，我们需要考虑以下几个因素：a. 增益：选择一个增益为1的放大器，我们需要选择一个具有单位增益的信号放大器。
b. 带宽：选择一个具有足够带宽的放大器，以便能够放大输入信号的所有频率成分。
c. 噪声：选择一个具有较低噪声的放大器，以保持输出信号的清晰度。
3.2 功率放大器选择在选择功率放大器时，我们需要考虑以下几个因素：a. 输出功率：选择一个能够提供所需输出功率的功率放大器。
b. 效率：选择一个能够提供高效转换的功率放大器，以减少功率损耗。
c. 稳定性：选择一个具有稳定性的功率放大器，以避免任何不稳定性对输出信号的影响。
4. 仿真在设计完成后，我们可以使用仿真软件来验证增益为1的放大器的性能。
仿真可以帮助我们评估放大器的带宽、噪声和功率输出等方面。
4.1 仿真软件选择选择一个适合的仿真软件对于仿真增益为1的放大器是非常重要的。
常见的仿真软件包括MATLAB、LTspice和ADS等。
4.2 仿真设置在进行仿真之前，我们需要设置仿真参数，包括放大器的输入信号、电源电压和负载等。
仿真参数的选择应该基于实际应用需求。
4.3 仿真结果分析仿真结果将给出增益为1的放大器的输入输出特性、频率响应和功率输出等信息。
一种高增益宽带CMOS全差分运算放大器
ｃｏｎｌｂｍｉｎｇ ｔｈｅ ｓ仃ｕｃｔｌｌｒｅ Ｏｆｆｏｌｄｅｄ ｃａｓｃｏｄｅ、ｔｗｏ ｄ洎奄ｒｅｎｔｉａｌ－ｐａ趣ＣＭＦＢ ａＩｌｄ ｇａｉｎ－
ｂｏｏｓ锄ｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉ弘ｅｄ ｉ１１ ＴＳＭＣ ０．２５叫ｌ ２Ｐ５Ｐ
ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｍ ｃａｄｅｎｃｅ ｓｐｅｃ仃ｅ ｌｌＩｌｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ２．５Ｖ ｓｉｎ百ｅ
ｃＭＯＳ全差分运算放大器。基于ＴＳＭｃ Ｏ．２５岫２Ｐ５Ｍ ｃＭＯＳ工艺，利用ｃａｄｅｎｃｅ
ｓｐｅｃ仃ｅ仿真工具分别对所设计的运放电路进行了仿真分析。结果表明，在２．５Ｖ的 单电源电压下，运算放大器的直流开环增益为１０４ｄＢ，单位增益带宽为３８５ＭＨｚ， 达到并超出了最初提出的增益和带宽的要求。论文还分析了一种电荷定标的Ｄ缓 转换器以及带自举开关的采样保持器原理，利用本文设计的全差分运算放大器作 为口核分别应用于一个８位的Ｄ／Ａ转换器和５０ＭｓＰＳ的采样保持器中，并取得了
叩ｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｉｆｉｅｒ、ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ｆｃｅｄｂａｃｋ ａ１１ｄ ｇａｉｎ．ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｄｅｓｉ印
ａ ｃＭＯＳ ｆｈｌｌｙ ｄｉ船ｒｅｎｔｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｍｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉ幽ｇａｉｌｌ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｂａｎｄ、Ⅳｉｄｔｈ ｂｙ
并基于ＴｓＭｃ ０．２５岫ｃＭＯｓ工艺的ｓⅡ讧３Ｖ３模型，利用Ｃａｄｅｎｃｅ ｓｐｅｃ仃ｅ工具对所设
计的电路进彳亍了仿真分析，其结果己满足并超出所设计的要求。 本文的结构就是按照作者在论文完成中的工作顺序进行安排的。 第二章，主要介绍了几种常用的ＣＭＯｓ全差分运算放大器结构以及共模反馈
集成运算放大器实际模型
集成运算放大器主要参数及理想模型分析详解正确使用集成运算放大器必须了解影响其工作性能的主要参数，其中输入误差信号是影响运放工作性能的重要参数之一。
本文主要研究引起集成运放输入误差信号的主要参数及减小其影响的方法。
<--摘要CH(结束)←--><--→关键CH(开始)-->关键词：集成运放输入误差信号输入失调电压输入偏置电流输入失调电流<--关键CH(结束)←--><--→摘要EN(开始)-->1集成运算放大器集成运算放大器简称“集成运放”或“运放”，它实际上是一个直接耦合的高增益多级放大器。
从原理上讲，它与普通的放大器没有多大区别，两者都用于电压放大或功率放大。
但普通放大器的性能是由其内部电路所决定的，而集成运放的性能和工作方式主要由外部反馈电路决定。
为实现这一点，集成运放总是以直接耦合放大器的形式出现，具有很高的电压增益、输入电阻和很低的输出电阻。
由于这种放大器以前只在模拟计算机中用于诸如加、减法和微、积分之类的数学运算，故得名为“运算放大器”。
市场上见到的集成运放都是以单块集成电路的形式出现的，其型号和封装形式多种多样，性能也各不相同，一般有以下两种分类方法：（1）从运算放大器的性能和用途上可以分为通用型和专用型两种。
两者的主要区别是专用型运算放大器在功能上或至少在某个性能上具有特殊性，它的某项性能指标往往比通用型运算放大器高出几个数量级。
其生产工艺也与通用型不同。
（2）从抑制漂移所采取的手段上可分为以电路参数相互补偿的原理来抑制漂移的“参数补偿式集成运算放大器”和以斩波稳零原理来抑制漂移的“斩波稳零集成运算放大器”。
2运算放大器的电路符号和理想模型大多数集成运放都是双端输入和单端输出的高增益放大器。
它的引出端子中，除了两个输入端和一个输出端外，还有两个电源引入端、调零端，还有相位补偿端和其它一些端子。
在分析应用电路时，常用带两个输入端和一个输出端的三角符号来代表运算放大器，如图1所示。
运算放大器实验报告---修改版
模拟集成电路设计课程设计根据运算放大器设计要求(单位增益带宽、 相位裕量、 功耗等)，分析 CMOS 运算放大器的所有性能指标。
使用 Level one 模型进行手工计算，设计出所有器件的尺寸参数，然后，通过 Tspice 软件仿真验证，给出所有性能指标的仿真结果。
一、要求：1、开环直流增益 ≥ 80 dB2、单位增益带宽 ≥ 100KHz3、相位裕量 ≥ 50 degree4、负载电容 = 2 pF5、摆幅 [0.25*(VDD-VSS), 0.75*(VDD-VSS)]6、电源电压 5V二、原理分析 原理图：LV 1V 00000000000000V =5.0实验原理：电路选用二级米勒补偿，其中一级放大主要是放大增益，二级是放大摆幅，将电路分三部分来看左边：用直流电压为m1，m2提供偏置电压中间：m3，m4，m5，m6，m1一路选用差分放大电路作为一级放大 右边：m2，m7一路是提高输出摆幅电路部分 Cc 为补偿电容，而电感L 起稳压作用 为达到设计指标，对运算放大器的每个moS 管都要在饱和区工作，通过对原理图的小信号分析得到这种结构的增益为Gain = gm1×gm6/（gds2 + gds4）/（gds6 + gds7）表示，其中gds2 ， gds4， gds6 ， gds7，分别为M2，M4，M6，M7管的相关电导。
gm1,gm6分别M1、M6的跨导。
而输出电压摆幅为Vincm.max=Vdd-|V GS3|+Vthn ，Vincm.min=V od5-V GS1=V od5+V od1+Vthn1，其中Vod1、Vod5分别为M1和M5的过驱动电压。
21()(1)2D n ox GS TH DS WI C V V V Lμλ=-+2()112()()D m n oxGS TH DS GS THDDDSGS TH on n oxGS TH I W g C V V V L V V I L I V V V R WC V V Lμγλγμ=-==-∝-=-饱和饱和＝时三、设计步骤：1. 由已知的C L 并根据转换速率的要求（或功耗要求）选择I SS （I 9）的范围；2. 计算满足频率要求的R out 范围，否则，改变I SS ；3. 设计W 3/L 3（ W 4/L 4）、W 5/L 5（ W 6/L 6 ）满足上ICMR （或输出摆幅）要求；4. 设计W 2/L 2 、 W 7/L 7满足增益要求；满足下ICMR （或输出摆幅）要求；5. 若达不到设计要求，重复上述过程。
可靠性仿真典型案例(模拟)
一、模拟电路的仿真案例1. 整体电路功能说明过流检测电路用于监视电路工作电流的大小，当电路负载上的电流超过某一数值，电路会给出报警信号。
检测电流可以在流入负载一侧取样，也可以在流出负载一侧取样，这两种检测方法可以分别称为高端和低端电流检测。
它们都是通过取样电阻采样电流然后通过电压放大器放大，都要求放大器有较高的输入阻抗、放大倍数线性度和一定的共模范围。
以下时一个可能的应用场景，0.1欧姆的电阻串接在1.8V电源和负载之间，一个仪表放大器将0.1欧姆电阻上的电压放大100倍（实际略低）后输入给运放的正相输入端，带隙电路产生的基准电压输入给运放的反相输入端，3.3V的电源给仪表放大器、基准和运算放大器供电，其中仪表放大器是由三个运算放大器组成的。
该电路一共由4个运算放大器模块和1个带隙基准模块组成，电路元件总数超过300个。
1.8V电源上的负载电流超过某一个设定值，运算放大器会输出一个高电平的报警信号。
总体电路的电路图如图1-1所示，总电路包括偏置电压模块bandgaptest1、由3个基本运放组成的仪表放大器yifang和输出级运放cmop。
图1-1 过流检测总电路图2.使用自建模型进行可靠性仿真本方案使用reliability.scs可靠性模型文件传递所需的模型参数，建模的所有步骤都是基于Cadence软件的Spectre中的URI接口，接下来分别用自建模型对偏置电压模块、运算放大器、总体电路进行可靠性仿真。
2.1 带隙基准电压电路可靠性仿真打开已经设计完整的带隙基准电压电路，界面显示如图1-2：图1-2带隙基准电压源电路图图1-3 等效电路结构图(a)图1-4 等效电路结构图(b)错误!未找到引用源。
-2是详细电路图，该电路是一个带隙基准结构。
带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用△V BE的正温度系数与双极型晶体管V BE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。
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仿真增益带宽-通用运算放大器模型
信号信号链工程师 David Zhao (赵大伟)
运算放大器的增益带宽积(GBW)会怎样影响你的电路并不总是显而易见。
宏模型有固定的增益带宽积。
虽然你可以深入观察这些模型，当然最好不要瞎弄它们。
那么你可以做什么？
你可以使用SPICE中的通用放大器的模型来检测你的电路对增益带宽积的灵敏度。
大多数基于SPICE的电路仿真器包含一个简单的运算放大器模型，因此你很容易就可以修改。
TINA的仿真界面。
首先将DC开环增益设置为1M(120dB)。
然后，主极点的频率(单位为Hz)与其相乘将得到放大器的增益带宽积(单位为MHz)。
在这个例子中，10Hz的主极点对应10MHz的增益带宽积。
对于5MHz，10MHz和100MHz三种不同的增益带宽积，图2分别给出了对应的开环响应。
注意这个简单的模型存在第二个极点(有些人称它为不受欢迎的极点)。
有时候，你会想要第二个极点处在一个非常高的频率，比如说10GHz。
对于任何合理的增益带宽积，这将会形成一个理想的90°的相位裕量。
在这个范例中，我将第二个极点设定为100MHz，等于我仿真时最大的增益带宽积的值。
在100MHz增益带宽积的响应中，你可以看到第二个极点的影响，它将会使得开环响应在100MHz的地方开始弯曲。
它使得单位增益带宽大约为78MHz，和一个具有78MHz增益带宽积的运算放大器的情况很相似。
运算放大器的单位增益带宽和增益带宽积并不一定是相同的值。
对于有源滤波器的设计，很难判断增益带宽积的需求，它是一个可以应用这种技术的很好的例子。
图3中使用FilterPro来设计切比雪夫滤波器，它会给出一些增益带宽积值的推荐，然而它的设计准则可能会比一些情况更严格。
对于这个设计而言，它推荐了100MHz或更大的增益带宽积来达到近乎理想的滤波器设计特性。
，我设定三种增益带宽积(5MHz，10MHz，100MHz)来对设计进行仿真。
从结果中可以得出小于100MHz的增益带宽积已经是符合要求的。
对于最终的仿真，你应该使用你所选择的运算放大器的宏模型。
我使用了TINA中的参数步进功能，改变主极点从而改变增益带宽积。
其它仿真器也有类似的功能。
当然，也可以手动地修改参数。
无论是哪种方式，改变通用运算放大器的增益带宽积将帮助你洞察增益带宽积对电路的影响。
你曾经使用运算放大器模型来修改其它参数吗？欢迎给出建议。