数模混合设计课题组 基于Hspice的二级运放 设计与仿真 Page  1.

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1 数模混合设计课题组 基于Hspice的二级运放 设计与仿真 Page  1

2 数模混合设计课题组 内容 H-SPICE安装注意事项 H-SPICE操作流程 AvanWaves使用 实例讲解与演示 Page  2

3 数模混合设计课题组 内容 H-SPICE安装注意事项 H-SPICE操作流程 AvanWaves使用 实例讲解与演示 Page  3

4 数模混合设计课题组 开始前 H-SPICE不要安装在中文目录下 任何H-SPICE需要调用的文件都不要放在中文目录下 网表文件第一行为标题行
用户在H-SPICE中对电路的描述不同于Cadence Page  4

5 数模混合设计课题组 内容 H-SPICE安装注意事项 H-SPICE操作流程 AvanWaves使用 实例讲解与演示 Page  5

6 数模混合设计课题组 Page  6

7 数模混合设计课题组 Page  7

8 数模混合设计课题组 Page  8

9 数模混合设计课题组 Simulate： 仿真完成后网表文件即可以编辑 Page  9

10 数模混合设计课题组 Edit LL： Page  10

11 数模混合设计课题组 仿真结果观察：AvanWaves Page  11

12 数模混合设计课题组 内容 H-SPICE安装注意事项 H-SPICE操作流程 AvanWaves使用 实例讲解与演示 Page  12

13 数模混合设计课题组 Open： 每次只能open一个.sp文档 Page  13

14 数模混合设计课题组 波形选择： Page  14

15 数模混合设计课题组 显示波形： Page  15

16 数模混合设计课题组 显示波形2： 或通过panels操作 Page  16

17 数模混合设计课题组 显示背景反色： Page  17

18 数模混合设计课题组 显示线条颜色自定义： Page  18

19 数模混合设计课题组 内容 H-SPICE安装注意事项 H-SPICE操作流程 AvanWaves使用 实例讲解与演示 Page  19

20 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 电源电压 0~3.3V 共模输入电压 固定在（VDD+VSS）/2 开环直流增益 ≥80dB
单位增益带宽 ≥30MHz 相位裕度 ≥60 degree 转换速率 ≥30 V/μs 静态功耗（电流） ≤1mA 负载电容 =3pf Page  20

21 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 Page  21

22 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 图1 两级运放
因为两级放大器存在稳定性方面的问题，所以图中Cc即时采用的密勒电容，起到‘补偿’效果。

23 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 一、设计目的与指标
本次实训设计一两级放大器，研究MOS管尺寸、密勒电容Cc对放大器指标的影响。加深对两级放大器中引入的‘补偿’概念的理解。学会对放大器性能的模拟、测量并进行优化。 工艺选取：CSMC 0.35um 工艺参数 类型 tox VT/V K’（A/V2） NMOS 1.32e-08 0.504 1.057e-04 PMOS 1.24e-08 -0.66 0.611e-04

24 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 二、原理分析

25 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计

26 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计

27 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 三、参数设计

28 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计

29 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 表3 电路晶体管参数选取 名称 W(μm)/L(μm) M1，M2 30/1 M3，M4
24/2 M5，M8 14/1 M6 150/1 M7 87/1 R=3k，Cc=1pF，CL=3pF

30 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 四、仿真分析
在共模输入为2.5V的情况进行静态工作点仿真，并对VINN端和VINP端输入DC信号，扫描范围为2.45V-2.55V,步长设置为0.001V，观察输出波形变化。下图2为DC仿真的网表文件： 图2 DC仿真的网表文件

31 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 具体的静态工作点如图3所示： 图3 DC仿真晶体管静态参数

32 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 图4 DC仿真波形
根据直流仿真可以看出各管均工作在饱和区满足要求，同时gm1和gm7与预设的数值有一定差距，由于分析的时候忽略了次级效应，仿真值均比预设小，但依然满足要求。同时，三条支路的电流id综合，远小于1mA,即在静态功耗方面也已达到要求。再观察仿真的波形是否能满足条件，仿真结果见图4. 可以看出输入范围在2.45V-2.55V，当输入2.5V时斜率最大，跨导最大

33 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 交流仿真 图5 AC网表建立

34 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 图6 AC仿真波形
可以发现，该增益没有达到要求，且相位裕度还不够，因此，保持M3、M4管的宽长比例不变，增加L，以此来提高第一级输出阻抗，进而提高增益。并将M1、M2的宽长比适当调大，提高GBW。其中带宽和相位裕度不满足设计指标要求，且与理论分析有一定差距，我们下面分析主要原因。

35 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 图7、零极点分布
观察图7可以发现，次级点P2为41MHZ，与理论设计的大于2倍的GBW即60MHZ有一定差距（这是由于计算时忽略了分母的CC项），这是造成带宽和相位裕度不足的主要原因，此时我们可以继续调节gm增大P2极点，或者减小零点，从而抵消P2的影响。

36 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 选择改变零点提高带宽，通过增大R减小零点， 经仿真，R=3K时满足要求,重新仿真，得到图8的波形
图8 AC仿真图形 观察波形，此时的相位裕度为60.1°，满足要求。查看AC的参数，如图9所示，发现增益为81.86dB，单位增益带宽GBW为32.18MHz满足要求。再进行零极点分析，此时次极点约为单位增益带宽GBW的2倍。而零点与极点较为接近，所以能够对相位裕度的提升具有重要作用。

37 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 图9 AC仿真参数

38 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 转换速率分析：
运放的转换速率试分析大信号作用下的反应速度。仿真转换速度可将运放的输出端和反相输入端相连构成单位增益结构。运放同相端输入2~3V的阶跃信号，观察波形如图10所示，通过增加measure语句检测出上升曲线10%和90%，即2.1V和2.9V对应时间分别为22.3ns和51.9ns。运放转换速率为SR=（ ）/（ ）=28。78V/μs，基本满足。 图10 瞬态仿真摆率

39 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 运放仿真结果与指标对比：
经过仿真后可以发现，仿真结果除转换速率略小于指标，其余均满足指标要求，但与计算值还有一定差距，主要是由于手工计算只是一种估算，忽略了很多高阶效应，因此需要靠仿真结果确定具体参数值。 表3、仿真与指标对比 仿真 指标 电源电压 3.3V 0~3.3V 共模输入电压 2.5V （VDD+VSS）/2 开环直流增益 81.9dB ≥80dB 单位增益带宽 32.2MHz ≥30MHz 相位裕度 60.1degree ≥60 degree 转换速率 28.7V/μs ≥30 V/μs 静态功耗 258μA ≤1mA 负载电容 3pf =3pf

40 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 对于运放共模抑制比，有：CMRR=|Adm/Acm| 共模抑制比（CMRR）
两种操作方法：1、根据公式进行仿真 2、分析后将CMRR表示成第一级的共模抑制比

41 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 Hspice自带的计算器

42 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 .print ac vDB(vout1) vDB(vout2)
用Hspice自带的计算器可以算出CMRR

43 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 输入公式

44 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 对于运放的电源抑制比，定义为：PSRR=Adm/A，即差模增益除以电源增益
PSRR越高越好，以减小电源对输出的影响。实际中，PSRR会随着频率的增加而下降。

45 数模混合设计课题组 Lab2：两级运放设计 用Hspice自带的计算器可以算出PSRR
.print ac vDB(vout1) vDB(vout2)

46 第二次作业 设计一个二级放大器，其主要指标如下 注可以采用mill补偿运放，加零点补偿运放、cascode运放等形式