摘 要：全差分运算放大器因其噪声较低、输出电压摆幅较大，共模噪声抑制及谐波失真抑制性能较好而得到大面积推广应用，HSPICE是目前应用较广的的模拟集成电路设计辅助工具，基于HSPICE对设计的共模反馈全差分运算放大器进行交流参数、直流参数、瞬态特性等主要性能参数进行了仿真分析，仿真分析结果表明，该电路各方面均具有综合良好的特性。
关键词：HSPICE;共模反馈;运算放大器
中图分类号：TN722.7;TP342 文献标识码：A 文章编号：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
在实际的芯片设计工作中，作者所从事的电源管理类集成电路芯片设计基本上都会用到运算放大器（也称作“运放”）。可以说，在集成电路系统设计中，运算放大器是重要的电路模块之一。不同的场合需要采用不同性能的运算放大器，因此，可以根据应用需求设计出相对标准化的运算放大器电路模块，以便在实际工作中快速实现集成电路的模块化组合设计，从而提高集成电路系统的设计效率。在运算放大器电路中，全差分运算放大器因其噪声较低，输出电压摆幅较大，共模噪声抑制及谐波失真抑制性能较好而得到广泛应用[1]。所以在实际工作中设计了共模反馈的全差分运算放大器。
在衡量运算放大器的好坏上，通常采用交流参数、直流参数、瞬态特性等性能参数。本文基于HSPICE软件，对工作中研发的共模反馈全差分运算放大器进行性能参数仿真。仿真分析结果表明，该电路各方面均具有良好的特性。目前该运算放大器已经在公司的实际产品中得到应用。
1 HSPICE
集成电路的研发是一项高端精密的设计制造流程，为了降低研发过程中的风险，提高集成电路设计效率，需要采用非常精密的集成电路仿真软件。Synopsys公司的HSPICE在仿真模拟集成电路性能参数过程中更加贴近后端制造，能够提供许多重要的针对集成电路性能的电路仿真和设计结果分析。HSPICE是在美国伯克利大学研发的Spice、美国MicroSim公司研发的PSpice以及其他仿真分析软件的基础上又加入了更全面的功能，经过市场的不断验证和提升，目前已经普遍为集成电路公司、大学和科研机构所采用。
2 共模反馈运算放大器设计
本文设计了具有共模反馈的全差分运算放大器，其线路具体结构如图1所示。
在图1的线路具体结构及单元中，Inp和Inn为运算放大器的输出正端和输入负端;enp和enn可以控制增大输入差分对管，从而实现对运算放大器性能参数的调节;biasp为PMOS的偏置电压;biasn为NMOS的偏置电压;VLDOIN为驱动管上所加的电压;PGND为驱动管的地;VTT为输出。
该运算放大器的主体结构采用的是全差分结构，分为三级：差分输入极（P1和P2为差分对），单管放大极（N2和N3为放大管）和源跟随器（共漏极）缓冲极。电路中的N305和N307为输出的大驱动管，用来驱动外接的电路，同时这两个驱动管接成推挽的形式将全差分的双端输出转为单端输出。因此，该全差分电路加上输出驱动管，在实际应用中也可以看作是一个普通的单端输出运算放大器。在实际的芯片设计中采用N180作为MOS电容，接在输出端和第二级跨导级输入之间，该MOS电容作为米勒电容，用在这里对电路起到了米勒补偿作用。
该共模反馈全差分运放电路的共模反馈采用R1和R2简单实用的共模反馈电路来实现，用来稳定输出点的直流电平，其共模反馈（CMFB）的电路结构如图2所示。
共模反馈的原理分析：
若没有电阻R1和R2，电路输出的共模电平很容易变化。增加电阻后，由于输出电平Vo1和Vo2在电阻上的分压作用，Vo等于两个差分输出信号的共模电平，实现了共模反馈[2]。
即：
其中R1=R2，所以：
其中，Vo直接作用于负载MOS管的栅极，构成电压环路负反馈，起到稳定提供共模电平的作用[3]。
3 交流参数仿真
在运算放大器交流参数仿真中，重点是对运算放大器的开环频率特性、闭环频率特性、共模抑制比（CMRR）、电源抑制比（PSRR）等性能参数进行仿真。
3.1 开环频率特性仿真
开环频率特性包括开环增益（OLG）、增益带宽积（GBW）、相位裕度（PM）等性能参数[4]。其中，开环增益为运放在低频工作，输入端与输入端开环时放大倍数;增益带宽积为运放开环增益不断下降，当增益下降到0 dB时的频率点;相位裕度是运放为保证其运行温度所需的相位变化幅度，当增益为0 dB时，相位的偏移量度，正常应留有60度以上的相位裕度，这样才能保证运算放大器的稳定性。
通过HSPICE对开环特性进行仿真，仿真的结果如图3所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的开环增益约为46 dB，增益带宽积约为3.4 MHz，相位裕度约为87度。
3.2 闭环频率特性仿真
闭环频率特性是来可用于衡量运算放大器在闭环应用中的稳定性。通过HSPICE对闭环特性进行仿真，结果如图4所示。
运放闭环与开环的频率性能具有关联性，运放开环相位裕度会影响闭环仿真波形，即影响到运放在转折频率处是否有上冲。实际设计中，PM在70度以上时才没有上冲。本设计的运算放大器相位裕度为87度，因此从仿真结果可以看出，其闭环单位增益幅频曲线上没有产生过冲，运算放大器闭环频率特性稳定。
3.3 共模抑制比的性能仿真
共模抑制比（CMRR）表示运放对共模信号扰动的抑制性能，是运放主要性能指标之一。在具体的电路设计中，无法实现电路的标准对称，因此，共模信号的变化会间接影响输出信号。计算公式是差模电压增益与共模电压增益之比[5]。通过HSPICE对CMRR进行仿真，结果如图5所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的CMRR约为102 dB，具有较好的共模抑制比。
3.4 电源抑制比的性能仿真
电源抑制比（PSRR）是指运放自身对于来自电源电压波动的抑制性能。通过HSPICE对PSRR进行仿真，结果如图6所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的PSRR约为60 dB，具有较好的电源抑制比。
4 直流性能参数仿真
在运放直流性能参数仿真中，主要是对运放输出失调电压、输入共模范围、输出动态范围等性能指标进行仿真。
4.1 输出失调电压仿真
在实际的运算放大器中，当运放输入零信号，理论上输出也为零信号。但是，由于运放输入级的差分对不可能绝对匹配，存在部分失配情况，同时，电路自身也会存在偏差，最终会导致输出并非是零信号，该非零信号即为失调电压。通过HSPICE对失调电压进行仿真，仿真的结果如图7所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的失调电压约为0.5 mV，失调电压较小，满足实际工作的设计需求。
4.2 输入共模电压范围仿真
虽然理想状态的运放，如果输入的是共模电压，输出正常为零，但实际中的运放，即使输入的是共模电压，输出也不为零。这就导致运放共模电压超过特定数值后，运放就不能再对差模信号进行正常的放大。正向共模输入电压和负向共模输入电压之间的范围，即为运算放大器的输入共模电压范围。通过HSPICE对输入共模范围进行仿真，仿真结果如图8所示。
从仿真结果可以看出，该运放的输入共模电压的范围约为0.1 V～4.3 V。
4.3 输出电压动态范围仿真
输出电压动态范围是指在运放额定的条件下，可输出的没有明显失真的最大输出电压范围。通过HSPICE对输出电压动态范围进行仿真，仿真的结果如图9所示。
从仿真结果可以看出，运算放大器输出电压动态范围为0.1 V～4.8 V。
5 瞬态特性仿真
在运算放大器瞬态特性仿真中，重点是对运算放大器建立时间、摆率、总谐波失真（THD）、静态功耗等性能参数进行仿真。
5.1 摆率、运放信号建立时间仿真
摆率（又称运放信号转换速率），是指在运放阶跃信号变化过程中，运放输出电压对时间的变化率。当运放输入阶跃信号时，输出电压自响应开始到响应稳定的这段时间就是运放信号建立时间。摆率和运放信号建立时间都是运放在瞬态大信号工作条件下的性能参数。通过HSPICE对失调电压及失调电压温度系数进行仿真，仿真的结果如图10所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的建立时间为2 μs，摆率为0.5 V/μs。
5.2 运放总谐波失真性能仿真
由于电路信号存在发散性，即使输入的是单频信号，但其经过运放系统后，输出也不可能是纯单频信号，而是混有各次级的谐波，这就导致信号失真。总谐波失真（THD）就是反映信号幅度失真的一项指标。通过HSPICE对失调电压及失调电压温度系数进行仿真，仿真的结果如图11所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的THD值约为 -48.6 dB。
5.3 静态功耗参数仿真
运放电路在瞬态仿真分析过程中，可以采集到整个运放的总电源静态电流，再结合运放静态工作电压，就可以得到静态下运放的功耗参数，仿真结果如图12所示。
从仿真结果可以看出，该运算放大器的静态电流约为566 μA，工作电源5 V，静态功耗约为2.8 mW。
6 结 论
笔者在工作中设计了一款共模反馈全差分运算放大器，并基于HSPICE对其进行了仿真，重点是对运算放大器的交流参数、直流参数、瞬态特性等各个主要性能参数进行仿真分析。结果表明，运算放大器各方面均具有良好的性能参数。因此，该电路可以作为标准化运算放大器IP模块实际应用到集成电路系统中，这有助于提高整体集成电路的设计效率。
参考文献：
[1] 唐宁，杨秋玉，翟江辉.高性能全差分运算放大器设计 [J].微电子学，2011，41（5）：636-639.
[2] GRAY P R，HURST P J，LEWIS S H，等.模拟集成电路的分析与设计：第4版 [M].张晓林，等译.北京：高等教育出版社，2005.
[3] 汤益明，万培元，郭乐乐，等.全差分运算放大器中共模稳定性的分析 [J].中国集成电路，2012，21（5）：22-25.
[4] 范凯鑫，徐光辉，徐勇，等.一种基于共模负反馈的高性能运算放大器的设计 [J].通信技术，2016，49（2）：243-246.
[5] 黄晓宗，黄文刚，刘伦才，等.运算放大器共模抑制比的仿真与测试 [J].微电子学，2012，42（2）：154-158.
作者简介：仝刚（1982—），男，汉族，陕西西安人，技术总监，工程师，微电子学与固体电子学硕士，主要研究方向：集成电路系统设计及仿真分析。
