基于HSPICE的共模反饋全差分運算放大器仿真分析

摘? 要：全差分運算放大器因其噪聲較低、輸出電壓擺幅較大，共模噪聲抑制及諧波失真抑制性能較好而得到大面積推廣應(yīng)用，HSPICE是目前應(yīng)用較廣的的模擬集成電路設(shè)計輔助工具，基于HSPICE對設(shè)計的共模反饋全差分運算放大器進行交流參數(shù)、直流參數(shù)、瞬態(tài)特性等主要性能參數(shù)進行了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明，該電路各方面均具有綜合良好的特性。

關(guān)鍵詞：HSPICE;共模反饋;運算放大器

中圖分類號：TN722.7;TP342? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0053-05

Simulation Analysis of Common Mode Feedback Fully Differential Operational Amplifier Based on HSPICE

TONG Gang

（Xiamen Shunfuxin Technology Co.，Ltd.，Xiamen? 361006，China）

Abstract：Fully differential operational amplifier has been widely popularization and application because of its low noise，big output voltage swing，and better performance in common mode noise suppression and harmonic distortion suppression. HSPICE is the auxiliary tool for analog integrated circuit design that is used more widely at present. Based on HSPICE，an simulation analysis is made to the main performance such as the AC parameters，DC parameters，instantaneous characteristic of the designed common mode feedback fully differential operational amplifier. The simulation analysis results show that the circuit has good comprehensive characteristics in all aspects.

Keywords：HSPICE;common mode feedback;operational amplifier

0? 引? 言

在實際的芯片設(shè)計工作中，作者所從事的電源管理類集成電路芯片設(shè)計基本上都會用到運算放大器（也稱作“運放”）?？梢哉f，在集成電路系統(tǒng)設(shè)計中，運算放大器是重要的電路模塊之一。不同的場合需要采用不同性能的運算放大器，因此，可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計出相對標(biāo)準(zhǔn)化的運算放大器電路模塊，以便在實際工作中快速實現(xiàn)集成電路的模塊化組合設(shè)計，從而提高集成電路系統(tǒng)的設(shè)計效率。在運算放大器電路中，全差分運算放大器因其噪聲較低，輸出電壓擺幅較大，共模噪聲抑制及諧波失真抑制性能較好而得到廣泛應(yīng)用[1]。所以在實際工作中設(shè)計了共模反饋的全差分運算放大器。

在衡量運算放大器的好壞上，通常采用交流參數(shù)、直流參數(shù)、瞬態(tài)特性等性能參數(shù)。本文基于HSPICE軟件，對工作中研發(fā)的共模反饋全差分運算放大器進行性能參數(shù)仿真。仿真分析結(jié)果表明，該電路各方面均具有良好的特性。目前該運算放大器已經(jīng)在公司的實際產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

1? HSPICE

集成電路的研發(fā)是一項高端精密的設(shè)計制造流程，為了降低研發(fā)過程中的風(fēng)險，提高集成電路設(shè)計效率，需要采用非常精密的集成電路仿真軟件。Synopsys公司的HSPICE在仿真模擬集成電路性能參數(shù)過程中更加貼近后端制造，能夠提供許多重要的針對集成電路性能的電路仿真和設(shè)計結(jié)果分析。HSPICE是在美國伯克利大學(xué)研發(fā)的Spice、美國MicroSim公司研發(fā)的PSpice以及其他仿真分析軟件的基礎(chǔ)上又加入了更全面的功能，經(jīng)過市場的不斷驗證和提升，目前已經(jīng)普遍為集成電路公司、大學(xué)和科研機構(gòu)所采用。

2? 共模反饋運算放大器設(shè)計

本文設(shè)計了具有共模反饋的全差分運算放大器，其線路具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1的線路具體結(jié)構(gòu)及單元中，Inp和Inn為運算放大器的輸出正端和輸入負端;enp和enn可以控制增大輸入差分對管，從而實現(xiàn)對運算放大器性能參數(shù)的調(diào)節(jié);biasp為PMOS的偏置電壓;biasn為NMOS的偏置電壓;VLDOIN為驅(qū)動管上所加的電壓;PGND為驅(qū)動管的地;VTT為輸出。

該運算放大器的主體結(jié)構(gòu)采用的是全差分結(jié)構(gòu)，分為三級：差分輸入極（P1和P2為差分對），單管放大極（N2和N3為放大管）和源跟隨器（共漏極）緩沖極。電路中的N305和N307為輸出的大驅(qū)動管，用來驅(qū)動外接的電路，同時這兩個驅(qū)動管接成推挽的形式將全差分的雙端輸出轉(zhuǎn)為單端輸出。因此，該全差分電路加上輸出驅(qū)動管，在實際應(yīng)用中也可以看作是一個普通的單端輸出運算放大器。在實際的芯片設(shè)計中采用N180作為MOS電容，接在輸出端和第二級跨導(dǎo)級輸入之間，該MOS電容作為米勒電容，用在這里對電路起到了米勒補償作用。

該共模反饋全差分運放電路的共模反饋采用R1和R2簡單實用的共模反饋電路來實現(xiàn)，用來穩(wěn)定輸出點的直流電平，其共模反饋（CMFB）的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

共模反饋的原理分析：

若沒有電阻R1和R2，電路輸出的共模電平很容易變化。增加電阻后，由于輸出電平Vo1和Vo2在電阻上的分壓作用，Vo等于兩個差分輸出信號的共模電平，實現(xiàn)了共模反饋[2]。

即：

其中R1=R2，所以：

其中，Vo直接作用于負載MOS管的柵極，構(gòu)成電壓環(huán)路負反饋，起到穩(wěn)定提供共模電平的作用[3]。

3? 交流參數(shù)仿真

在運算放大器交流參數(shù)仿真中，重點是對運算放大器的開環(huán)頻率特性、閉環(huán)頻率特性、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）等性能參數(shù)進行仿真。

3.1? 開環(huán)頻率特性仿真

開環(huán)頻率特性包括開環(huán)增益（OLG）、增益帶寬積（GBW）、相位裕度（PM）等性能參數(shù)[4]。其中，開環(huán)增益為運放在低頻工作，輸入端與輸入端開環(huán)時放大倍數(shù);增益帶寬積為運放開環(huán)增益不斷下降，當(dāng)增益下降到0 dB時的頻率點;相位裕度是運放為保證其運行溫度所需的相位變化幅度，當(dāng)增益為0 dB時，相位的偏移量度，正常應(yīng)留有60度以上的相位裕度，這樣才能保證運算放大器的穩(wěn)定性。

通過HSPICE對開環(huán)特性進行仿真，仿真的結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的開環(huán)增益約為46 dB，增益帶寬積約為3.4 MHz，相位裕度約為87度。

3.2? 閉環(huán)頻率特性仿真

閉環(huán)頻率特性是來可用于衡量運算放大器在閉環(huán)應(yīng)用中的穩(wěn)定性。通過HSPICE對閉環(huán)特性進行仿真，結(jié)果如圖4所示。

運放閉環(huán)與開環(huán)的頻率性能具有關(guān)聯(lián)性，運放開環(huán)相位裕度會影響閉環(huán)仿真波形，即影響到運放在轉(zhuǎn)折頻率處是否有上沖。實際設(shè)計中，PM在70度以上時才沒有上沖。本設(shè)計的運算放大器相位裕度為87度，因此從仿真結(jié)果可以看出，其閉環(huán)單位增益幅頻曲線上沒有產(chǎn)生過沖，運算放大器閉環(huán)頻率特性穩(wěn)定。

3.3? 共模抑制比的性能仿真

共模抑制比（CMRR）表示運放對共模信號擾動的抑制性能，是運放主要性能指標(biāo)之一。在具體的電路設(shè)計中，無法實現(xiàn)電路的標(biāo)準(zhǔn)對稱，因此，共模信號的變化會間接影響輸出信號。計算公式是差模電壓增益與共模電壓增益之比[5]。通過HSPICE對CMRR進行仿真，結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的CMRR約為102 dB，具有較好的共模抑制比。

3.4? 電源抑制比的性能仿真

電源抑制比（PSRR）是指運放自身對于來自電源電壓波動的抑制性能。通過HSPICE對PSRR進行仿真，結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的PSRR約為60 dB，具有較好的電源抑制比。

4? 直流性能參數(shù)仿真

在運放直流性能參數(shù)仿真中，主要是對運放輸出失調(diào)電壓、輸入共模范圍、輸出動態(tài)范圍等性能指標(biāo)進行仿真。

4.1? 輸出失調(diào)電壓仿真

在實際的運算放大器中，當(dāng)運放輸入零信號，理論上輸出也為零信號。但是，由于運放輸入級的差分對不可能絕對匹配，存在部分失配情況，同時，電路自身也會存在偏差，最終會導(dǎo)致輸出并非是零信號，該非零信號即為失調(diào)電壓。通過HSPICE對失調(diào)電壓進行仿真，仿真的結(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的失調(diào)電壓約為0.5 mV，失調(diào)電壓較小，滿足實際工作的設(shè)計需求。

4.2? 輸入共模電壓范圍仿真

雖然理想狀態(tài)的運放，如果輸入的是共模電壓，輸出正常為零，但實際中的運放，即使輸入的是共模電壓，輸出也不為零。這就導(dǎo)致運放共模電壓超過特定數(shù)值后，運放就不能再對差模信號進行正常的放大。正向共模輸入電壓和負向共模輸入電壓之間的范圍，即為運算放大器的輸入共模電壓范圍。通過HSPICE對輸入共模范圍進行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運放的輸入共模電壓的范圍約為0.1 V～4.3 V。

4.3? 輸出電壓動態(tài)范圍仿真

輸出電壓動態(tài)范圍是指在運放額定的條件下，可輸出的沒有明顯失真的最大輸出電壓范圍。通過HSPICE對輸出電壓動態(tài)范圍進行仿真，仿真的結(jié)果如圖9所示。

從仿真結(jié)果可以看出，運算放大器輸出電壓動態(tài)范圍為0.1 V～4.8 V。

5? 瞬態(tài)特性仿真

在運算放大器瞬態(tài)特性仿真中，重點是對運算放大器建立時間、擺率、總諧波失真（THD）、靜態(tài)功耗等性能參數(shù)進行仿真。

5.1? 擺率、運放信號建立時間仿真

擺率（又稱運放信號轉(zhuǎn)換速率），是指在運放階躍信號變化過程中，運放輸出電壓對時間的變化率。當(dāng)運放輸入階躍信號時，輸出電壓自響應(yīng)開始到響應(yīng)穩(wěn)定的這段時間就是運放信號建立時間。擺率和運放信號建立時間都是運放在瞬態(tài)大信號工作條件下的性能參數(shù)。通過HSPICE對失調(diào)電壓及失調(diào)電壓溫度系數(shù)進行仿真，仿真的結(jié)果如圖10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的建立時間為2 μs，擺率為0.5 V/μs。

5.2? 運放總諧波失真性能仿真

由于電路信號存在發(fā)散性，即使輸入的是單頻信號，但其經(jīng)過運放系統(tǒng)后，輸出也不可能是純單頻信號，而是混有各次級的諧波，這就導(dǎo)致信號失真?？傊C波失真（THD）就是反映信號幅度失真的一項指標(biāo)。通過HSPICE對失調(diào)電壓及失調(diào)電壓溫度系數(shù)進行仿真，仿真的結(jié)果如圖11所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的THD值約為 -48.6 dB。

5.3? 靜態(tài)功耗參數(shù)仿真

運放電路在瞬態(tài)仿真分析過程中，可以采集到整個運放的總電源靜態(tài)電流，再結(jié)合運放靜態(tài)工作電壓，就可以得到靜態(tài)下運放的功耗參數(shù)，仿真結(jié)果如圖12所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該運算放大器的靜態(tài)電流約為566 μA，工作電源5 V，靜態(tài)功耗約為2.8 mW。

6? 結(jié)? 論

筆者在工作中設(shè)計了一款共模反饋全差分運算放大器，并基于HSPICE對其進行了仿真，重點是對運算放大器的交流參數(shù)、直流參數(shù)、瞬態(tài)特性等各個主要性能參數(shù)進行仿真分析。結(jié)果表明，運算放大器各方面均具有良好的性能參數(shù)。因此，該電路可以作為標(biāo)準(zhǔn)化運算放大器IP模塊實際應(yīng)用到集成電路系統(tǒng)中，這有助于提高整體集成電路的設(shè)計效率。

參考文獻：

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作者簡介：仝剛（1982—），男，漢族，陜西西安人，技術(shù)總監(jiān)，工程師，微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士，主要研究方向：集成電路系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析。