实例2_放大器的仿真

交流小信号仿真

本实例以简单放大器的交流小信号仿真为例，重点分析放大器的增益、相位与频率之间的关系。

1. 原理图设计
   • 基于上次的ADE_ex1库,新建一个Cell View，命名为amp;
   • 按快捷键i,调用n33,按q设置其宽长比为1u/5u,调用p33,宽长比设置为1u/0.3u.
   • 从analogLib中调用理想电容,设置电容值为1pF,按下图完成电气连接。
     

     分析：PMOS的栅漏短接,于是 $V_{SD}>V_{SG}-|V_{Tp}|$ , PMOS工作在放大区(饱和区),形成的导通电阻很小,交流小信号的电阻很小。这种电阻叫做 有源电阻 。

2. 仿真设计
   • Launch >ADE L启动仿真器.
   • 设置激励(Setup>Stimuli): 选择vin的激励项,Function选择为sin,Type选择为voltage,并设置直流偏置(DC voltage)为1.65V,交流幅值(AC magnitude)为1V, 交流相位(AC Phase)输入0。
   • 设置模型库和工艺角;
   • 设置仿真选项(Analyses>Choose):选择ac交流小信号仿真,start和stop分别输入频率扫描的起始(10)和终止频率(1G),扫描类型(Sweep Type)为自动(Automatic)。
   • 开始仿真(Stimulation>Netlist and Run).
   • 查看结果: Results>Direct Plot>Main Form,在弹出的对话框中选择dB20和Phase,然后单击原理图中vout的连线,可以看到如下如果.
     

瞬态仿真

在给定的输入激励下，在设定的时间范围内计算电路时域瞬态响应。

• 设置激励: 在上述原理图的基础上,在ADE L仿真器中,设置vin为正弦电压信号,直流偏置(DC Voltage)为1.65V，幅度(Amplitude)为1mV,频率(Frequency)为1M.
• 设置仿真选项(Analyses>Choose): 仿真类型为trans,设置仿真的终止时间Stop Time为10u,仿真精度默认方案Accuracy Default中选择最高精度conservative。

  高精度conservative用于数模混合,ADC仿真等；适中精度moderate适合对一般模拟电路进行仿真; 宽松精度liberal则适合仿真数字电路或变化速度较低的模拟电路.

• 设置输出(Outputs>To be Plotted>Select On Schematic)在原理图中单击输入和输出的Net；
• 开始仿真: Stimulation>NetList and Run,在弹出的波形图中点击工具栏的Split All Strips按钮,可以将两个波形图分开.在波形图中按M添加Maker标记,可以查看某个点的值.
  
• 分析：输入信号的峰峰值为2mV,输出信号的峰峰值为3mV.

注意,在仿真精度中,可以选择Option设置自定义的精度.

直流仿真

• 直流工作点的设计: 选择仿真类型(Analyses>Choose)为dc，然后选中Save DC Operating Point保存电路的直流工作点。然后Stimulation>Netlist and Run开始仿真. 仿真完成后
  • Results>Print>DC Node Voltages点击原理图中的输出节点,测量其输出的直流电压.
  • Results>Print>DC Operating Point点击原理图中的PMOS,可以看到其直流工作状态参数.
  • Results>Annotate>DC Node Voltages在图中标注出直流电压。
• 直流特性扫描仿真: 在dc对话框中选择Save DC Operating Point保存电路的直流工作点。选择Temperature设置起始和终止温度为-40和125. Outputs>To Be Plotted>Select On Schematic单击放大器的输出.然后Stimulation>Netlist and Run开始仿真. 可以看到电压信号随着温度上升几乎线性增大。

噪声仿真

• 修改原理图: 将输入vin端口删除,从analogLib中调用port，设置直流偏置电压为1.65V；
• 设置仿真选项: (Analyses>Choose): 仿真类型为noise,扫描变量选择频率，起始和终止频率分别为1和1G，Output Noise中选择voltage，positive ouput node在原理图中点输出Net,negative则选择为gnd; Input Noise选择为port.
• 开始仿真: Stimulation>NetList and Run.
• 查看结果: Results>Direct Plot>Main Form,在弹出的对话框中选择Output noise,V/sqrt(Hz),Magnitude，然后点击Plot。可以看到噪声曲线.

低频时主要是$1/f$噪声,高频时主要是晶体管热噪声.