CMOS运放直流工作-直流转换-交流小信号-瞬态特性分析

对一般的运放而言，计算机辅助模拟主要了解以下几项工作特性。

1、直流工作点分析

此项分析的目的是为了模拟运放直流工作状态，确认电路各工作点是否符合设计要求。通常，把输入端均接地，此时，出现在输出端的电压是由运放的失调所致。直流分析可用。OP语句完成。

2、直流转换待性

用.DC语句或TRAN语句（用.TRAN时，要在输入端加一个上升时间足够长的脉冲源或分段线性源）对整个电压范围进行扫描，以此确定运放的动态范围及共模输入范围。

3、交流小信号分析

交流小信号分析主要完成运放的频域分析。一般在输入端加一交流小信号（其值足够小，而不致引起输出进入饱和区），并打印输出端电压的幅值及相位，即可得到运放的幅度频率（简称幅频）特性和相位频率（简称相频）特性。用.AC及.PRINT语句完成这项分析。

4、瞬态分析

把运放倒相输入端与输出端短接，即构成跟随器形式。在同相输入端加上升时间足够短的一脉冲源或分段线性源，打印输出电压，可获得压摆率、建立时间等瞬态响应参数。瞬态分析由.TRAN和.PRINT完成。

5、共模抑制和电源抑制特性

共模抑制比和电源抑制比的测量是交流小信号分析的一部分。在输入端分别加差模和共模小信号，把差模放大倍数与共模放大倍数相除，即为共模抑制比（CMRR）。如把输入端接地，并在正或负电源上叠加一交流小信号，在输出端得到的放大倍数与差模放大倍数相除，就是正或负电源的电源抑制比（SPRR）。遗憾的是，SPICE没有把输出结果进行相除的运算功能。因此，如需绘制CMRR和SPRR曲线，用户只能自己对输出结果进行处理。

下面用两个实例对CMOS运放的模拟作简要的说明。

【例1】图3.11-4所示的是一个共源共栅型结构的高速CMOS运放，图中管子的宽长比列于表3.11-2。

SPICE规定接地节点编号为零。在上面的模型语句中，参数“LAMBDA”反应了MOS器件的沟道调制效应。通常，其值是这样凭经验给出的：当沟道长为10微米左右时，LAMBDA值取0.02，而当沟道长小于6微米大于3微米时，其值为0.03。LAMDA的缺省值为零，文件中.AC指定在1毫伏小信号输入时，从1赫兹开始至100兆赫每十倍频程分桥10点。

SPICE在作交流分析前自动进行的直流工作点分析结果（各节点电压）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

从中可以看出，输出节点8的电压接近于零，亦即电路失调电压很小。按.PLOT语句要求绘制的相频响应和幅频响应曲线如图3.11-5所示，曲线对应的单位增益频率约为3.2兆赫，开环增益为3.23×10³倍。

对运放进行瞬态分析的输入文件如下：

SPICE不允许有零值电阻存在，因此，短路一般均用零值独立源来表示。如上面文件中的电压源V2即表示节点2与8是短路的。输入电压源VIN采用分段线性源PWL来描述一个从0跳变至2伏，上升时间为0.001纳秒的脉冲信号，并从0开始至1微秒，每隔20纳秒分析一点。输出曲线如图3.11-6所示。

由曲线可知，运放建立时间约为430纳秒。运放的其他一些参数的模拟结果已列于表3.11-3中

【例2】图3.11-7所示的是一个用于开关电容滤波器6517中的高增益CMOS运放，电路中各管的宽长比列于表3.11-4。

上面输入数据文件中电压源V1是加在运放输入端的失调电压。在运放设计中，由于参数的近似估算，运放的直流工作点模拟结果常出现很大的失调电压，使得运放处于不正常的工作状态，为了继续模拟运放的稳态和瞬态特性，”通常采用两种方法，一种是在输入端加一适当的失调电压源，正好抵消电路本身的失调，使电路恢复到正常的工作状态，即输入为零时，输出亦为零。另一种方法是加适当的反馈电阻，构成一负反馈放大器，先分析负反馈放大器的各种特性，然后，折算为运放开环参数。

从模拟输出结果可知，运放共模放大倍数为0.7078倍。把上述文件中的负输入端接地，而正输入端接1毫伏交流小信号，则输出即为运放的差模频率响应特性。由模拟结果得知，开环放大倍数为7338倍。从而共模抑制比为

下面的输入文件是模拟运放的电源抑制能力。

运放的两个输入端之间接一失调电压，然后接地，并在正电源节点10上面叠加一个交流小信号于直流电源之上，分析并打印输出端7对输入的响应。

模拟结果表明，对正电源上所叠加的小信号，其放大倍数为2.8倍，由此求得运放对正电源的电源抑制比为

运放对负电源的电源抑制比可用相同方法得出。运放部分模拟结果列于表3.11-3中。

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