HSPICE实训1.ppt

,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,Page,*,单击此处编辑母版标题样式,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,Page,1,数模混合设计课题组,基于,Hspice,的二级运放,设计与仿真,报告人：许其罗,2015-03-24,Page,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,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,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,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,6,数模混合设计课题组,Page,7,数模混合设计课题组,Page,8,数模混合设计课题组,Page,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,10,数模混合设计课题组,Edit LL,：,Page,11,数模混合设计课题组,仿真结果观察：AvanWaves,Page,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,13,数模混合设计课题组,Open,：,每次只能open一个.sp文档,Page,14,数模混合设计课题组,波形选择,：,Page,15,数模混合设计课题组,显示波形,：,Page,16,数模混合设计课题组,显示波形2,：,或通过panels操作,Page,17,数模混合设计课题组,显示背景反色,：,Page,18,数模混合设计课题组,显示线条颜色自定义,：,Page,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,20,数模混合设计课题组,0.5,m CMOS,工艺,指标,V,DD,=5V,C,L,=10pf,I,ref,=100,A,A,V,=35 G.B.=9MHz,要求,原理分析,工作点选取,HSPICE直流特性仿真,HSPICE交流特性仿真,Lab1,：电流源负载,CS,放大器,Page,21,数模混合设计课题组,一、直流分析：,Lab1,：电流源负载,CS,放大器,Page,22,数模混合设计课题组,Lab1,：电流源负载,CS,放大器,Page,23,数模混合设计课题组,二、交流分析：,Lab1,：电流源负载,CS,放大器,Page,24,数模混合设计课题组,三、仿真调试：,Lab1,：电流源负载,CS,放大器,Page,25,数模混合设计课题组,电源电压,05V,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/s,静态功耗（电流）,1mA,负载电容,=3pf,Lab2,：两级运放设计,Page,26,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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。,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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 0.5um,工艺参数,类型,tox,VT/V,K,（,A/V,2,）,NMOS,1.32e-08,0.504,1.057e-04,PMOS,1.24e-08,-0.66,0.611e-04,数模混合设计课题组,二、原理分析,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,三、参数设计,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,名称,W(m)/L(m),M1,，,M2,30/1,M3,，,M4,24/2,M5,，,M8,14/1,M6,150/1,M7,87/1,R=3k,，,Cc=1pF,，,CL=3pF,表,3,电路晶体管参数选取,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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,g,m1,和,g,m7,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,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,交流仿真,图,5 AC,网表建立,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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。,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,图,7,、零极点分布,观察图,7,可以发现，次级点,P,2,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,C,C,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。,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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。,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,图,9 AC,仿真参数,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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,23V,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=,（,2.9-2.1,）,/,（,51.9-22.3,）,=28,。,78V/s,，基本满足。,图,10,瞬态仿真摆率,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,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,5V,05V,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/s,30 V/s,静态功耗,258A,1mA,负载电容,3pf,=3pf,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,共模抑制比（,CMRR,）,对于运放共模抑制比，有：,CMRR=|A,dm,/A,cm,|,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,Lab2,：两级运放设计,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,Hspice,自带的计算器,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,数模混合设计课题组,Lab2,：两级运放设计,输入公式,数模混合设计课题组,电源抑制比（,PSRR,）,对于运放的电源抑制比，定义为：,PSRR=A,dm,/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。,Lab2,：两级运放设计,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),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,