电子说
以一个二级弥勒补偿运放为例,说明stb仿真和ac仿真的区别,vdd=3.3,Vcm=1.25V,ibias=5uA,负载电容是5pF,负载电阻是100K。
注:二级运放是pmos输入差分对,第二级是nmos共源级(原理图是NM5),负载是pmos电流源(原理图是PM5)。
加入一个vdc=0的电压源做probe(下图中V3),接成单位增益反馈形式,Vp给一个直流源=1.25V。
stb仿真分析环路特性的testbench
仿真环路稳定性,结果如下:
仿真的output log汇报的稳定性参数如下:
绘制出波特图如下:
stb仿真的波特图
可看出,低频相位从179.99度开始(看成180度),波特图正常,从低频的180度下降180到0度,就是相位交点PX,在增益交点GX(环路增益幅度为1,DB=0处)频率是21.79MHz(即GBW),GX对应的相位是74.69度,高出0度74.69度,这个值就是PM相位裕度。GBW和PM的结果和output log汇报的结果吻合。
运放一般都是闭环使用,开环使用就是一个性能拙劣的比较器。
由于是单位增益,因此反馈系数β=1,环路增益就是运放的开环增益。
以下标出了频率为1KHz和1MHz时的环路增益。
1K频率,增益还很大(90.7dB=34276.8倍),1M的时候增益很小了,31.2dB(36.3倍)。
1K 和1M处的环路增益值
仿真的output log汇报的稳定性参数如下:
绘制出波特图如下:
stb仿真的波特图
波特图形状奇怪,相位从-180度开始,下降180到-360度,增益交点频率(GBW)对于的相位是-285.7,高出-360约74.3度,即PM,也是可以和log汇报结果对上的,PM结果和GBW结果是正确的,但是图的形状很奇怪。
注:无论是比特图分析还是噪声分析,初始频率值都不要设置成0HZ,设置成0Hz结果不靠谱。
Vp设置为dc=1.25V,幅度是1mV,频率是1KHz的正弦.
tran仿真的testbench
1K频率正弦,1K时候的增益还很大(90.7dB=34276.8倍),1K的时候做到了很好的单位增益,两端输入(Vp是正端,net4是负端)和输出Vout大小相等,波形重合。
注:二级运放是pmos输入差分对,第二级是nmos共源级(原理图是NM5),负载是pmos电流源(原理图是PM5)。
tran仿真结果(1K正弦)
仔细分析波形图,Vout/R1就是流过负载电阻R1的电流,Vout求导再除以C1就是流过C1的电流,Vout求导值最大的时候,就是C1电流最大的时候,因为Q=CU=IT,电流I=C*ΔU/ΔT,此时R1和C1的电流是从二级运放的第二级的pmos电流负载管PM5抽取的,此时由于Vout在1.25上下,Vout只会给C1充电,C1不会放电,不会向nmos放大管NM5灌电流。
Vp设置为dc=1.25V,幅度是1mV,频率是1MHz的正弦.
tran仿真的testbench
tran仿真结果(1M正弦)
虽然此时环路增益很低了,但是也实现了不错的单位增益buffer。A(Vin-Vout)=Vout,将1M时的环路增益(约是36)代入进去,不会有这么好的跟随效果啊?why?难道是因为负反馈的调节作用?当Vout大于Vin了,即Vp
输入改为30MHZ的正弦波,大于了GBW,但是也能跟随,虽然跟随的不好。30M的时候在波特图上,环路增益已经是衰减的了,即开环运放的增益是负的了,衰减了。
tran仿真的结果(30M正弦)
作者也没明白这里是什么原因,有知道的伙伴可以留言哦。
注:我们导师说仿真稳定性最好不要用ac仿真,大家都是用stb。
稳定性仿真,Vp的交流幅度改为1V,加入1G大电阻和1F大电容,前者提供直流反馈,后者旁路交流小信号分量。
ac仿真运放的稳定性testbench
ac仿真的波特图
低频增益和stb仿真结果差不多,GBW也差不多,是23.2MHz稍大于stb的结果。低频相移是14度,其实在0度开始是0Hz,下降180度到-180,-103.1高于-180有76.7度,即PM值,也和stb的相差不大。
有没有发现,stb仿真环路为什么低频相位是180度而ac仿真低频相位是0度,因为stb是实打实的环路分析,在直流时,环路是负反馈,因此是180度(或者-180度)。ac分析并没有环路,相位都是从0开始,给输入一个交流,只是单纯看输出点的幅度和相位。
ac仿真的波特图
可看到0Hz时相移是0度,但是增益曲线不正常。
tran仿真的testbench
Vp设置为dc=1.25V,幅度是1mV,频率是1KHz的正弦。
注:ac仿真本质上,大信号是闭环的,通过1G大电阻提供直流反馈,但是小信号还是开环的,因为1F大电容滤掉了交流小信号。
此时其实就是一个开环的状态,所以近似比较器,输出几乎是rail – rail的,电容充放电交替进行,抽电流和灌电流,net4即是Vn一端波形,Vn可看出几乎只有dc分量,Vout的共模电压和Vp的共模电压相等都是1.25V,输出的ac分量不会耦合到net4,因为1F大电容就把交流分量滤掉了,但是不完全滤掉,电容越大,纹波越小,纹波很小不会影响dc点状态就可以。
ac仿真用的不多,个人感觉不好用,原则是不是闭环应用,小信号开环,大信号闭环,单纯仿真一下放大器的低频开环增益是可以用的,进行稳定性分析一般都是闭环的,开环的电路一般不进行稳定性分析,我们一般是哪里有环路,哪里进行稳定性分析,怕振荡。stb原则是都是闭环的,因此符合实际。
可看到,运放Vn端几乎是直流,Vp是给定的正弦波,Vout输出求导的最大值M8处,对应的负载电容C1的电流最大,即M6点,可代入公式算出,即1054215pF约是533nA。C1的最小电流也是这样的求法。可看出C1充放电时间还是挺快的,这取决于运放的SR。负载电阻R1的电流就是Vout/R1,在3.28/100k=32.8uA和11mV/100k=110nA切换。
当R1电流是31.2uA时,此时Vout是3.28V,运放的第二级NMOS放大管被压入截止区,几乎无电流(约22nA),PMOS负载管被压入线性区,R1的31.2uA的电流是通过PMOS从vdd抽取的,当R1电流是110nA时,此时Vout是11mV,R1几乎不抽也不灌电流,NMOS和PMOS电流和dc时候几乎相等。
tran仿真的结果(1M正弦)
运放Vn端的放大波形(有一定纹波)
Vp设置为dc=1.25V,幅度是1mV,频率是1MHz的正弦。
输出共模电平不是1.25,约是1.277,因为开环增益这么小已经达不到很好的直流反馈效果了,因此Vout共模点不再是1.25V。由于Vout-net4之差很小,因此C0几乎没有电流。C1只充电不放电。
1M时候的增益是36.3,下图验证了这个增益。
Vp的交流是1mV,即在1.25±1mV,Vout是1.277±36.3mV=1.241V~1.313V。36.3*1mV就是放大的小信号结果。
tran仿真的结果(1M正弦)
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