模拟集成电路设计与仿真_何乐年

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这篇文章主要记录何乐年的模集书当中的重要知识点以及一些电路的仿真,软件环境使用Virtuoso IC617,以此记录对于模拟集成电路的初步学习日程.

模拟集成电路设计与仿真

Chapter Ⅴ 运算放大器与负反馈

负反馈系统

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前馈网络：, 反馈网络： , 环路增益：

当环路增益趋于时得到理想的闭环增益： 说明理想情况下的闭环增益仅仅由反馈网络决定！ 并且： ,

所以环路增益时误差信号几乎为0，运放的同相和反相输入端电位相同，也即虚短虚断！

闭环增益与开环增益的关系: 所以环路增益越大，闭环增益对开环增益的变化越不敏感！

使用环路切断的方法确定闭环增益

image-20250222183836903 注意，反馈系数对环路增益的影响非常大，比如等量的增大/减小

运算放大器的非线性简略分析

使用可编程的压控电压源pvcvs：

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闭环增益

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电路的输入输出特性，因为

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电路图如上

”采取负反馈以后，电路的闭环增益呈现很好的线性！这是因为反馈网络是线性的，当环路增益很大时（此处约为50），运算放大器的开环增益对于闭环增益的影响被削弱！“

负反馈对运放带宽的影响

不加入负反馈：

加入负反馈之后： 闭环的极点：

说明3dB带宽增加了倍！

增益带宽积 =

运算放大器的基本结构

最简单的单端输出和双端输出的结构，低频小信号增益均是

缺点是增益很小（需要>2000的开环增益！）经常采用套筒结构和折叠结构！

缺点是增益很小（需要>2000的开环增益！）经常采用套筒结构和折叠结构！

  • 套筒结构：（以下是单端输出和差动输出的套筒式）

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也即采用共源共栅的结构，其小信号增益为： 提高了增益，坏处是输入范围的减少和对应输出摆幅的减小，当尾电流源较大/MOS管的尺寸较小时，输入电压的范围很小！

  • 折叠结构（全差分折叠/单端输出折叠结构）

为了增大输入电压的范围，将上述的结构的上端换成PMOS管，相较于套筒式增加两个

image-20250223165405697 造成折叠式运算放大器增益减小的主要原因是，由于加入了折叠管,使得共源-共栅结构中的共源管与差分级的MOS管并联,从而减小了从输出端往地端看到的等效阻抗。

运算放大器的性能

  • 运放的增益

使用辅助定理可以测量运放的增益！测量时输出接地输入端接共模偏置以及差分输入信号；测量的时候只在输入端加上共模电平，输出端加上直流电压测量系统的响应电流。在仿真环境之中，使用单端输出的差分结构进行运放增益和频率特性的测量。

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单端输出的差分结构运算放大器

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运算放大器增益的幅频特性，改变P管的沟道长度得出的ac仿真结果

如何测量负反馈系统的环路增益？

利用上文提到的断开环路法进行测量！

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采取合适的电容和电感，可以不影响直流工作点并且对于交流信号进行断路。

  • 运放的带宽

选中波形，使用bandwidth函数进行求解3dB带宽，使用cross函数计算单位增益带宽（将cross value设置为1，选第一次falling的时候）

在1、反馈网络不含频率分量；2、单位增益带宽频率内只有一个极点的情况下，闭环系统的3dB带宽与运放的单位增益带宽相等！

将放大器的反相输入端和输出端连接使负反馈系统的闭环增益为1（输出跟随输入），使用vpulse元件模拟同相输入端的输入脉冲；

运放带宽测试图

使用settlingtime函数计算建立时间，误差不超过2%，结果如下图所示：

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  • 相位裕度

使用phaseMargin函数进行计算即可。

  • 转换速率

令单位增益负反馈系统驱动3pF的电容：

转换速率测试图

输出电压在跳变后的一段时间内并没有按照指数规律变化，而是具有斜率不变的特性，使用slewrate函数进行建立时间的计算。

为什么会产生这样的曲线？

基本原理：扰动发生后，左下角的晶体管的漏源电流增加而右下角的晶体管的电流减少相同的数值；由于镜像作用，右上角的晶体管增加，从而运放提供的总的输出小信号电流为,此电流为负载电容充电并且降低两端电流的不平衡差值。

当足够大或者足够小（负数）时，右下角/左下角的晶体管关断，负载电容的充电电流/放电电流 等于尾电流，所以斜率不变（)，当输出电压接近时管子才重新导通，电路回到线性工作状态。

原理分析图
  • 共模抑制比，这里定义

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定义共模抑制比

实际测量时，可以直接获得运算放大器的共模抑制比,而不需要分别求出运算放大器的差模和共模增益运算放大器连接成单位增益负反馈的形式,在运算放大器的同相和反相输入端加上相同的小信号电压

共模分析原理图

由于输入的所以直接对结果取倒数即可！

共模抑制测试图
  • 电源电压抑制比

管子采用二极管连接,并且流过左上角管的电流是固定的,因此管的栅源电压是定值,从而使得点的电位相对于钳制,因此当变化时,上有相同的变化。又由于电流镜的存在,使得运算放大器在差分输入信号为零时,输出端和有相同的电位。因而到的增益近似为1。

电源电压的影响
电源电压抑制测试图

运算放大器的使用举例

比例运算电路：反相输入，同相输入，差分输入

求和运算电路：反相输入，同相输入，差分输入

积分和微分运算电路，对数和指数运算电路