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二阶运算放大器设计 大作业
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HSPICE与CADENCE仿真规范与实例
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Spectre仿真器在集成电路设计自动化中的应用 卢小冬 - 摘要
Spectre仿真器在集成电路设计自动化中的应用
大唐微电子，集成电路设计部
摘要: Spectre是一个非常重要的、非直接继承SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的电路数值模拟器之一。通过一个众所周知的集成电路单元-CMOS运算放大器的参数仿真提取，本文简要介绍了如何在模拟集成电路的设计自动化中使用Spectre工具。总的来说，Spectre仿真器不但能以更快的速度和更好的收敛特性支持现有的所有SPICE分析，还能提供很多额外的功能。通过将Spectre工具引入集成电路设计自动化，好处远不止得到一个强大的分析工具本身。
Spectre仿真器，数值模拟，参数提取，集成电路设计自动化
SPICE首次由加州大学伯克利分校的Donald O. Pederson教授在日的第十六届中西部电路理论研讨会（Canada，Sixteenth Midwest Symposium on Circuit Theory）上提出。通过SPICE分析，可以在设计的整个过程中通过考虑工艺特点、温度等重要的设计参数来改变、优化和验证电路的性能。在现代集成电路设计中，SPICE已经成为标准的设计步骤广泛用于验证原始设计和性能优化。
Spectre是一个非常重要的、不是直接由SPICE继承而来的电路仿真工具。经过多年作为cdsSpice（Cadence公司早期的SPICE类仿真工具）仿真工具以外选项之后，Spectre已经完全被集成到Cadence的AMS设计环境之中，并作为仿真环境下标准的模拟电路仿真工具。它能够提供SPICE仿真具有的直流（DC），小信号交流（AC）、瞬态（TRAN）标准分析功能，也能提供基于工艺参数的灵敏度（sensitivity）和蒙特卡洛（Monte Carlo）分析，基于电路拓扑（无源元件参数）的分析，以及其他重要的电路分析功能。
本文介绍了在CMOS模拟电路仿真中如何使用Spectre仿真器进行基本的分析。一个CMOS的电压运算放大器（OVA）被用来作为介绍仿真器使用的电路实例。为了简单起见，文章不涉及AMS设计环境，而是用Spectre的网表（Netlist）仿真模式。由于难以在此详尽展示Spectre仿真器的强大功能，因此在结尾又额外添加了一段独立强调了Spectre的重要特性。
II. 电压运算放大器的模型
1 宏模型（Macromodel）
为了描述模拟电路的特性，通常会定义一套屏蔽电路拓扑结构的、高层次的参数集，也就是所谓的“行为级”（behavior Level）参数，来刻画电路的特性。有了这些参数，该电路就可以作为“黑盒子”在更复杂的电路系统设计中使用。电压运算放大器（OVA）的典型参数集见表1。
贡献者：蛮小夜4413一种用于PFC的模拟乘法器设计
22:02:58&&&来源:电子设计工程 &&
&&&&&& 随着家庭用电设备越来越多，大量的电流谐波分量倒流入电网，造成电网的谐波“污染”。为了抑制这些电流谐波分量，采用功率因素校正技术()。目前对功率因素校正技术的研究取得了许多成果，其中，在拓扑结构方面，Boost型PFC技术已经完善，在控制方面，以电流环、电压环的双环控制比较成熟。的设计是实现输入电流跟随输入电压重要的一部分，通过对乘法器的输出与电感电流的峰值比较，在变频控制下，控制功率开关管的打开，使开启时间固定为一个常数，功率因素理论上为单位值。
　　1 变频控制的基本原理
　　为了得到理论上等于1的功率因素，Boost型PFC通常采用变频控制法。在Boost拓扑电路中，电感电流等于输入电流。在变频控制下，电感电流(即输入电流)的平均值为：
　　从式(1)可以看到，如果功率管开启时间TON始终是一个同定值，电感电流的平均值与输入电压VI成正比，功率因素在理论上将为1，这就是变频控制的基本原理。由于电感始终处在临界导电模式，所以义称临界导电控制法。
　　2 乘法器在变频控制中的作用
　　为了在Boost型电路中实现功率管开启时间为定值，引进了模拟乘法器。在PFC工作在稳定状态时，模拟乘法器的输出电压VMULT与电感电流检测电阻Rs上的电压VRs比较，当VMULT小于VRs时，功率管关断，因而开启时间固定。乘法器的输出电压为：
　　式中，k是一个常数值，Vc在稳定工作状态下也近乎常数值。
　　很明显，开启时间和输入电压无关，只和常系数k、电感L和检测电阻Rs有关。
　　3 乘法器
　　3．1 乘法器的基本原理
　　根据图1所示的乘法器的基本结构，VQ3和VQ4组成一个共射差分对，电流源Iss提供差分对电流偏置，VQ5、VQ6作为差分对的有源负载。VQ3和VQ4是完全相同的，Vid2>0，根据推导，
　　VQ3和VQ4的集电极电流差通过VQ7、VQ8和VQ9组成的镜像电流源镜像到VQ1和VQ2的共射极端，给VQ1和VQ2提供偏置电流，因此，
　　同样，完全相同的VQ1和VQ2也组成一个共射差分对，IEE为这两个管子提供偏置电流。Vid1>0，可得：
　　当(Ic1-Ic2)这个电流差流过1只取样电阻，2个输入电压的乘积结果就是1个电压值。
&&&&&& 3．2 电压衰减电路
　　要使乘法器能够正常工作，2个输入信号电压必须小于2VT，这样将大大缩小输入电压范围，也就大大限制了电路应用。为了扩大输入电压的输入范围。必须把输入电压进行线性衰减，使衰减后的输入电压满足小于2VT，从而能够实现乘法功能。因此，在乘法器的输入端加入了一个电压衰减电路。基本的电压衰减电路如图2所示。
　　双极管VQ3和VQ4完全一样，VQ1和VQ2也是相同，电流源I为电路提供电流偏置，输入V1和输出V0的关系式为：
　　只要调整R或I的值，输入电压就可以得到很好衰减。
　　3．3 偏置电路
　　电流偏置电路如图3所示。VQ3、VQ4和R1、R2组成基本的镜像电流电路，VQ2为了减小电流增益β对电路的影响。晶体管的集电极电流为：
　　式中，Iss是发射极反向饱和电流，与发射极的横截面积成正比。
　　VQ3和VQ4的VEB相等，R1的阻值是R2的2倍，但是VQ4的发射极的横截面积是VQ3的2倍，因此，输出的电流I是VQ1的集电极的2倍。所以，想要得到数倍于VQ1集电极电流，可调整VQ4的电阻值和发射极的横截面积。
　　4 仿真结果
　　图4为Cadence的仿真结果。仿真条件为Vdd=7V，Vbias=2．5 V，乘法器的一端输入为全桥整流后幅度为3 V的正弦波，另一端输入为直流电压1 V。可以看到，输出波形是与输入同频同相的半正弦波，幅度是1．2 V。
　　5 结束语
　　详细分析了乘法器电路的工作原理。根据电路应用的需要，灵活调整电阻值R0、电流I1和I2的值。此电路可广泛应用于需要乘法器单元的电流控制PFC电路。
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编辑：探路者
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