CMOS運放直流工作-直流轉換-交流小信號-瞬態特性分析

對一般的運放而言，計算機輔助模擬主要了解以下幾項工作特性。

1、直流工作點分析

此項分析的目的是為了模擬運放直流工作狀態，確認電路各工作點是否符合設計要求。通常，把輸入端均接地，此時，出現在輸出端的電壓是由運放的失調所致。直流分析可用。OP語句完成。

2、直流轉換待性

用.DC語句或TRAN語句（用.TRAN時，要在輸入端加一個上升時間足夠長的脈沖源或分段線性源）對整個電壓范圍進行掃描，以此確定運放的動態范圍及共模輸入范圍。

3、交流小信號分析

交流小信號分析主要完成運放的頻域分析。一般在輸入端加一交流小信號（其值足夠小，而不致引起輸出進入飽和區），并打印輸出端電壓的幅值及相位，即可得到運放的幅度頻率（簡稱幅頻）特性和相位頻率（簡稱相頻）特性。用.AC及.PRINT語句完成這項分析。

4、瞬態分析

把運放倒相輸入端與輸出端短接，即構成跟隨器形式。在同相輸入端加上升時間足夠短的一脈沖源或分段線性源，打印輸出電壓，可獲得壓擺率、建立時間等瞬態響應參數。瞬態分析由.TRAN和.PRINT完成。

5、共模抑制和電源抑制特性

共模抑制比和電源抑制比的測量是交流小信號分析的一部分。在輸入端分別加差模和共模小信號，把差模放大倍數與共模放大倍數相除，即為共模抑制比（CMRR）。如把輸入端接地，并在正或負電源上疊加一交流小信號，在輸出端得到的放大倍數與差模放大倍數相除，就是正或負電源的電源抑制比（SPRR）。遺憾的是，SPICE沒有把輸出結果進行相除的運算功能。因此，如需繪制CMRR和SPRR曲線，用戶只能自己對輸出結果進行處理。

下面用兩個實例對CMOS運放的模擬作簡要的說明。

【例1】圖3.11-4所示的是一個共源共柵型結構的高速CMOS運放，圖中管子的寬長比列于表3.11-2。

SPICE規定接地節點編號為零。在上面的模型語句中，參數“LAMBDA”反應了MOS器件的溝道調制效應。通常，其值是這樣憑經驗給出的：當溝道長為10微米左右時，LAMBDA值取0.02，而當溝道長小于6微米大于3微米時，其值為0.03。LAMDA的缺省值為零，文件中.AC指定在1毫伏小信號輸入時，從1赫茲開始至100兆赫每十倍頻程分橋10點。

SPICE在作交流分析前自動進行的直流工作點分析結果（各節點電壓）如下：

（1）0.0000      （2）0.0000      （3）-1.5451      （4）3.3680      （5）3.3680

（6）1.6587      （7）-0.0049    （8）-0.0049       （9）-3.1134  （10）-3.1134

（11）2.9756   （12）-0.7417  （13）-1.8948     （14）5.0000   （15）-5.0000

從中可以看出，輸出節點8的電壓接近于零，亦即電路失調電壓很小。按.PLOT語句要求繪制的相頻響應和幅頻響應曲線如圖3.11-5所示，曲線對應的單位增益頻率約為3.2兆赫，開環增益為3.23×10³倍。

對運放進行瞬態分析的輸入文件如下：

SPICE不允許有零值電阻存在，因此，短路一般均用零值獨立源來表示。如上面文件中的電壓源V2即表示節點2與8是短路的。輸入電壓源VIN采用分段線性源PWL來描述一個從0跳變至2伏，上升時間為0.001納秒的脈沖信號，并從0開始至1微秒，每隔20納秒分析一點。輸出曲線如圖3.11-6所示。

由曲線可知，運放建立時間約為430納秒。運放的其他一些參數的模擬結果已列于表3.11-3中

【例2】圖3.11-7所示的是一個用于開關電容濾波器6517中的高增益CMOS運放，電路中各管的寬長比列于表3.11-4。

上面輸入數據文件中電壓源V1是加在運放輸入端的失調電壓。在運放設計中，由于參數的近似估算，運放的直流工作點模擬結果常出現很大的失調電壓，使得運放處于不正常的工作狀態，為了繼續模擬運放的穩態和瞬態特性，”通常采用兩種方法，一種是在輸入端加一適當的失調電壓源，正好抵消電路本身的失調，使電路恢復到正常的工作狀態，即輸入為零時，輸出亦為零。另一種方法是加適當的反饋電阻，構成一負反饋放大器，先分析負反饋放大器的各種特性，然后，折算為運放開環參數。

從模擬輸出結果可知，運放共模放大倍數為0.7078倍。把上述文件中的負輸入端接地，而正輸入端接1毫伏交流小信號，則輸出即為運放的差模頻率響應特性。由模擬結果得知，開環放大倍數為7338倍。從而共模抑制比為

下面的輸入文件是模擬運放的電源抑制能力。

運放的兩個輸入端之間接一失調電壓，然后接地，并在正電源節點10上面疊加一個交流小信號于直流電源之上，分析并打印輸出端7對輸入的響應。

模擬結果表明，對正電源上所疊加的小信號，其放大倍數為2.8倍，由此求得運放對正電源的電源抑制比為

運放對負電源的電源抑制比可用相同方法得出。運放部分模擬結果列于表3.11-3中。

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