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1、简单跨导放大器分析,HSPICE分析实例,电路与网表,指标分析偏置电流与功耗、开环增益、GBW与相位裕度、压摆率、Swing Range、失调、噪声、工艺corner分析、温度特性分析等,v_vp vdd 0 5v r_rz vo1 n_0001 rzv c_cc n_0001 vo ccv c_cl 0 vo clv c_cb 0 vb 10p r_rb vb vdd 100k m_u2 vo1 vip n_0002 0 nenh l=0.6u w=12u m=2 m_m1 n_0003 n_0003 vdd vdd penh l=2u w=12u m=2 m_m3 vo vo1 vdd v
2、dd penh l=0.6u w=12u m=8 m_u1 n_0003 vin n_0002 0 nenh l=0.6u w=12u m=2 m_u4 vo vb 0 0 nenh l=5u w=12u m=8 m_u5 vb vb 0 0 nenh l=5u w=12u m=1 m_u3 n_0002 vb 0 0 nenh l=5u w=12u m=4 m_m2 vo1 n_0003 vdd vdd penh l=2u w=12u m=2,存在文件 中,1、工作点分析Hspice执行网表（otas1.sp),.title ota operation point and ac analys
3、is.options post nomod.param rzv=1k ccv=1p clv=1p.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.inc NETLIST_PATHV_Vac vin 0 DC 2.5V AC 1V 0V_Vdc vip 0 2.5V*.probe ac v(vo1)v(vo)vp(vo).op*.ac dec 10 1k 1g.end,工作点分析,浏览并分析.lis文件的内容.prot与.unprot使用将使得其中的内容不在.lis中出现用oper查找，即可找到operating point information这一段，可看到电
4、路各节点的电压、各元件的工作状态注意此时vo=4.8967对于提供电源的电压源v_vp，注意其功耗就是电路功耗，因此可查得电路功耗为2.3596mW对于MOS管，注意各参量的含义：region、id、vgs、vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds可查得流过M_U3的偏置电流为140uA，并注意到M_M3的region为Linear,2、直流扫描分析(otas2.sp),Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIS
5、T_PATHV_Vac vin 0 DC 2.5V AC 1V 0V_Vdc vip 0 2.5V.print dc v(vo1)v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.55 0.001.end,粗扫,直流扫描分析,vo,vo1,dvo,对vo求导小信号增益Gain=d(vo)/d(v_vdc),确定精扫扫描范围,直流扫描分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATHV_Vac vin 0 DC
6、2.5V AC 1V 0V_Vdc vip 0 2.5V.print dc v(vo1)v(vo).op.dc v_vdc 2.484 2.494 0.0001.end,精扫,直流扫描分析,对于增益要求G0，存在对应的输出swing range，若用小信号增益gainG0作为swing range，则一定满足增益要求例如G0=300，则根据下图其swing range(0.574,4.194),若取输出中心电压为vdd/2，而令vo=vdd/2时，可测得此时v_dc=2.4876V故ota的系统失调：Vos=12.4mV,3.交流扫描分析(otas3.sp),Ota simulation.pr
7、ot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo1)v(vo)vp(vo).opV_Vac vin 0 DC 2.5V AC 1V 0V_Vdc vip 0 2.4876V.ac dec 10 1k 1g$sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end,表示没有补偿电阻Rz,交流扫描分析,GBW=99.5MHz相位裕度18.7度,直流small-signal gain,交流扫描分析,单位增益带宽 GBW gm1/(Cc+C
8、GD3)主极点 p1 1/Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)第二极点 p2 gm3/(CL+Co)零点 z 1/(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)查看.lis文件 可知gm3 2m gm1 0.83m gm1b 0.13m,由于零点的作用，相位裕度从60多度减小至39度！,gm1为输入管M_U1的跨导gm3为第二级输入管M_M3的跨导,交流扫描分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.49
9、5 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg sweep ccv 0 5p 1p.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end,分析miller补偿效应,交流扫描分析,增加Cc，p1 向下移动，GBW减小相位裕度增加,增加Cc到5p时，相位裕度增加到约59度，而GBW已经减小到24.8MHz!,交流扫描分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo1
10、)v(vo)vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end,分析零极点抵消效果,加Rz，可减弱零点的作用，提高相位裕度；当达到零极点抵消时，应满足：Rz(CL+Cc)/(gm3Cc)得出 Rz 1k,交流扫描分析,Rz增加到0.6k时，相位裕度增加到约55度，GBW约76MHz,Rz增加到1k时，相位裕度增加到约67度，GBW约103MHz
11、,4.噪声分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg$sweep rzv 0 2k 0.2k.noise v(vo)v_vac 10.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end,分析热噪声,噪声分析,.lis文件中会给出每一个频
12、率采样点上的噪声频谱密度，以及从开始频率到该频率点的等效噪声电压等找到如下一段：*the results of the sqrt of integral(v*2/freq)from fstart upto 100.0000 x hz.using more freq points results in more accurate total noise values.*total output noise voltage=2.5009m volts*total equivalent input noise=64.7944u 注意.lis文件中各个MOS元件的噪声大小对比，并根据电路图进行对应的分
13、析,还可以改变Cc的值，来看总的等效输入噪声有什么变化,5.失调分析,系统失调之外的失调主要来源：输入差分对u1和u2、电流镜m1和m2的失配U1,u2电压失调为：M1,m2带来的失调为：,Vt,W为元件间的阈值电压和跨导之差,失调分析,晶体管随机失配在良好的版图设计条件下阈值电压(mV)栅宽(u)均与栅面积的平方根成反比,NMOS:tox=1.25e-08+toxnPMOS:tox=1.3e-08+toxptoxn,toxp的值与model的corner有关，在tt情况下，toxn=toxp=0,根据类似工艺的一个估计值,tox的单位为e-10,在MOS晶体管的参数中考虑失配例：原有的 W=
14、30u,M=8 修改为W=30u+30u*0.04u*alfa/sqrt(2*30um*5um)M=8 delvto=12.5n*alfa/sqrt(2*30um*5um)这里alfa为(0,1)高斯分布变量依次将网表的内容按照上面的方法修改,失调分析,失调分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe dc v(vo1)v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001 sweep monte=30*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns*.
15、ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end,用monte-carlo仿真来分析失配导致的失调分布,失调分析,30次monte-carlo仿真结果,由此可见ota的失调分布可达(-10mV10mV),可增大晶体管来减小Vos，但是会带来速度问题,6.压摆率分析,在输入端输入一个较大的脉冲信号，以观察输出端的电压摆率,V_vac的定义换成：V_vpulse vin 0 PULSE 2 3 20n
16、s 0.1n 0.1n 100n 200n,压摆率分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe tran v(vo1)v(vo).op*.dc v_vdc 2.45 2.51 0.001 sweep monte=30.trans 0.1ns 1000ns*.ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc NETL
17、IST_PATH.end,用瞬态仿真来分析ota输出slew rate,压摆率分析,压摆率仿真结果,由右图可测得ota的上升和下降压摆率分别为141V/us和131V/us,Problem:在电路图中如何分析上升和下降压摆率？将结果与仿真结果进行对比,7.模型corner仿真,V_vpulse的定义换回来：V_Vac vin 0 DC 2.5V AC 1V 0,模型corner仿真,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe dc v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.
18、51 0.0001$sweep monte=30*.trans 0.1ns 1000ns*.ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end,做DC扫描，分析各种corner下的增益和失调的变化,模型corner仿真,在.end前插入.alter语句，如下：Ota simulation.alter.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib ff.alter.lib LIB_PATHcz6h
19、_v28.lib fs.alter.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib sf.alter.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib ss.end,模型corner仿真,tt,tt,ff,ff,fs,fs,sf,sf,ss,ss,Ff时增益最小，ss时增益最大,Vo=vdd/2分别对应于V_vdc为：2.48762.48142.48612.48812.4912,模型corner仿真,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo)vp(vo).op*
20、.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001$sweep monte=30*.trans 0.1ns 1000ns.ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end,知道了各种corner下的失调后，就可以设置V_vdc做AC扫描，分析各种corner下的增益和GBW的变化,模型corner仿真,.alterV_Vdc vip 0 2.4814V.lib LIB_PATHcz6h_v28.
21、lib ff.alterV_Vdc vip 0 2.4861V.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib fs.alterV_Vdc vip 0 2.4881V.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib sf.alterV_Vdc vip 0 2.4912V.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib ss.end,对于各种corner加入了对应的V_vdc定义,模型corner仿真,ff,ss,模型corner仿真,ff,ss,ff,ss,模型corner仿真,由仿真结果可测得：,8.温度分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v
22、28.lib tt.unprot.option post probe.probe dc v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001 sweep temp 0 100 20*.trans 0.1ns 1000ns*.ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end,做温度扫描，分析各种温度下增益和失调的变化,温度分析,温度变化对系统失调和增益的影响,0,0,100,100,
23、Vo=vdd/2分别对应于V_vdc为：2.48822.48772.48732.48682.48632.4858,温度分析,Ota simulation.prot.lib LIB_PATHcz6h_v28.lib tt.unprot.option post probe.probe ac v(vo)vp(vo).temp 0*.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001$sweep monte=30*.trans 0.1ns 1000ns.ac dec 10 1k 500meg$sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo)v_vac 20.para rzv=1k ccv=
24、1p clv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end,知道了各种温度的失调后，就可以设置V_vdc做AC扫描，分析各种温度下的增益和GBW的变化,插入下一页内容,将的V_vdc定义改为：V_vdc vip 0 2.4882V,温度分析,.alter.temp 20V_Vdc vip 0 2.4877V.alter.temp 40V_Vdc vip 0 2.4873V.alter.temp 60V_Vdc vip 0 2.4868V.alter.temp 80V_Vdc vip 0 2.4863V.alter.temp 100V_Vdc vip 0 2.4858V.end,对于各种温度加入了对应的V_vdc定义,温度分析,不同温度下的AC分析结果,100,0,温度分析,不同温度下的AC分析结果,100,0,温度分析,由仿真结果可测得：,温度升高性能变差！,
