运算放大器的仿真方法和装置的制造方法

运算放大器的仿真方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种运算放大器的仿真方法和装置，该方法包括：接收用户输入的器件参数；调用预先配置的运算放大器的多种器件参数与运算放大器的输出结果之间的相对变化关系；基于输入的器件参数以及调用的变化关系，对运算放大器进行仿真。本发明通过根据输入的器件参数以及器件参数对放大器输出的影响对运算放大器进行仿真，使得仿真的过程能够考虑到运算放大器本身的性能，从而使仿真更加准确、客观。
【专利说明】
运算放大器的仿真方法和装置
技术领域
[0001] 本发明设及电路器件仿真方法，并且特别地，设及一种运算放大器的perational Amp 1 if ier，简称为OP、0PAMP、或运放等）的仿真方法和装置。
【背景技术】
[0002] 运算放大器被广泛应用于模拟和混合信号电路设计中，是一种重要的基本元器 件。运算放大器是一种直流禪合，差模输入、通常为单端输出、一般具有高增益、高输入阻 抗、低输出阻抗的电路单元。图1示出了运算放大器的结构。如图1所示，运算放大器具有 两个输入端和一个输出端0。其中，运算放大器的两个输入端包括输入端a(反相输入端） 和输出端b (同相输入端），运两个输入端也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出 端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点） 之间，且其实际方向从a端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向0端，即两 者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对 公共端恰好相同。
[0003] 运算放大器的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放， 其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运 放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
[0004] 在实际电路中，运算放大器通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。在不同的 外围反馈网络中，运算放大器能够对差分输入端的电信号进行处理，从输出端得到需要的 特定大小、特定波形的电信号。运算放大器不仅大量应用于模拟电路，还广泛应用于混合信 号（同时含有数字信号和模拟信号）的电路之中，例如，运算放大器可用作精密的交流和直 流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器等，具有非常广的应用范围。
[0005] 目前，在电路设计的过程中，常常会对电路进行模拟仿真，从而预测电路的性能和 参数。在对含有运算放大器的混合信号电路设计进行电路的前仿真工作时，需要首先建立 兼容数字信号和模拟信号的运算放大器模型，之后才能够对电路进行仿真。
[0006] 但是，现有的仿真方案仅仅考虑到了运算放大器的工作参数，而并没有考虑到表 示运算放大器本身性质的器件参数。由于现有的仿真方案无法考虑到不同运算放大器各自 的器件参数，所W将导致仿真的结果并不能够客观地反应实际情况。
[0007] 针对如何对运算放大器进行客观、准确的仿真，目前尚未提出有效的解决方案。

【发明内容】

[0008] 针对相关技术中的问题，本发明提出一种运算放大器的仿真方法和装置，能够使 得仿真结果与运算放大器的器件参数相关联，使得仿真结果更加准确、客观。
[0009] 本发明的技术方案是运样实现的：
[0010] 根据本发明的一个方面，提供了一种运算放大器的仿真方法。
[0011] 根据本发明实施例的运算放大器的仿真方法包括：接收用户输入的器件参数；调 用预先配置的运算放大器的多种器件参数与运算放大器的输出结果之间的相对变化关系； 基于输入的器件参数W及调用的变化关系，对运算放大器进行仿真。
[0012] 其中，在对运算放大器进行仿真时，对于多种器件参数中被用户输入的器件参数， 将输入的参数值带入被调用的相应变化关系中；对于多种器件参数中未被用户输入的器件 参数，设置为默认值并带入被调用的相应变化关系中。
[0013] 并且，该方法可W进一步包括：
[0014] 接收环境参数；
[0015] 根据预先配置的环境参数与运算放大器的器件参数之间的相对变化关系，对用户 输入的器件参数的参数值和未被用户输入的器件参数的默认值进行调整；
[0016] 并且，在对运算放大器进行仿真时，基于调整后的结果进行仿真。
[0017] 进一步地，该方法可W进一步包括：
[0018] 预先配置环境参数与运算放大器的器件参数之间的相对变化关系，并W函数的方 式表示相对变化关系。
[0019] 可选地，上述输入的环境参数包括W下至少之一：
[0020] 溫度参数、气压参数、福照参数、磁场参数。
[0021] 可选地，上述运算放大器的多种器件参数包括W下至少之一：
[0022] 失调电压、偏置电流、共模抑制比、电源抑制比、开环增益。
[0023] 此外，上述运算放大器的模型预先基于VHDL-AMS建模，其中，运算放大器的模型 中包含多种器件参数与运算放大器的输出结果之间的相对变化关系，并且提供了用于接收 多种器件参数的接口。
[0024] 并且，上述运算放大器的模型为通过行为级建模得到。
[00巧]根据本发明的另一方面，还提供了一种运算放大器的仿真装置。
[00%] 根据本发明实施例的运算放大器的仿真装置包括：
[0027] 接收模块，用于接收用户输入的器件参数；
[0028] 调用模块，用于调用预先配置的运算放大器的多种器件参数与运算放大器的输出 结果之间的相对变化关系；
[0029] 仿真模块，用于基于输入的器件参数W及调用的变化关系，对运算放大器进行仿 真。
[0030] 根据本发明的再一方面，还提供了一种运算放大器的建模方法。该建模方法基于 VHDL-AMS、且W行为级建模的方式对运算放大器进行建模。
[0031] 其中，该建模方法包括：配置并保存运算放大器的多种器件参数与运算放大器的 输出结果之间的相对变化关系；配置用于接收多种器件参数中部分或全部参数的接口。
[0032] 本发明通过根据输入的器件参数W及器件参数对放大器输出的影响对运算放大 器进行仿真，使得仿真的过程能够考虑到运算放大器本身的性能，从而使仿真更加准确、客 观。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可w根据运些附图获 得其他的附图。
[0034] 图1是根据相关技术的运算放大器的简图；
[0035] 图2是根据本发明实施例的运算放大器的仿真方法的流程图；
[0036] 图3是对运算放大器输入失调电压的示意图；
[0037] 图4是根据本发明实施例对运算放大器建模后的功能划分示意图；
[0038] 图5是运算放大器的内部结构图；
[0039] 图6是示出运算放大器的失调电压及偏置电流的模型电路图； W40] 图7是示出运算放大器的共模抑制比的模型电路图；
[0041] 图8是示出运算放大器的电源抑制比的模型电路图；
[0042] 图9是测量失调电压的原理示意图；
[0043] 图10是输入失调电压的仿真结果图； W44] 图11是输入偏置电流测量电路的电路图；
[0045] 图12是输入偏置电流的仿真结果图；
[0046] 图13是共模抑制比测量电路的电路图；
[0047] 图14是共模抑制比的仿真结果图； W4引图15是开环增益测量电路的电路图；
[0049] 图16是开环增益的仿真结果图；
[0050] 图17是电源抑制比测量电路的电路图；
[0051] 图18是电源抑制比的仿真结果图；
[0052] 图19是根据本发明实施例的运算放大器的外部接口描述示意图；
[0053] 图20是外部环境因素变化对运算放大器内部产生影响的示意图；
[0054] 图21为运放测试电路的结构简图； 阳化日]图22至图25为对运算放大器进行四组测试后得到的仿真结果；
[0056] 图26为根据本发明实施例的运算放大器的仿真装置的框图。
【具体实施方式】
[0057] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围。
[0058] 图2是根据本发明实施例的运算放大器的仿真方法的流程图。
[0059] 如图2所示，根据本发明实施例的算放大器的仿真方法包括：
[0060] 步骤S201，接收用户输入的器件参数；
[0061] 步骤S203,调用预先配置的运算放大器的多种器件参数与运算放大器的输出结果 之间的相对变化关系；
[0062] 步骤S205,基于输入的器件参数W及调用的变化关系，对运算放大器进行仿真。
[0063] 其中，运算放大器的器件参数可能有很多种，而用户并不一定输入所有种类的器 件参数，此时，在对运算放大器进行仿真时，对于多种器件参数中被用户输入的器件参数， 将用户输入的参数值带入被调用的相应变化关系中；而对于多种器件参数中未被用户输入 的器件参数，则设置为默认值并带入被调用的相应变化关系中，运样，运算放大器的多种器 件参数均被赋值，就能够基于相应的对应关系进行计算，从而得到仿真结果。
[0064] 并且，该方法可W进一步包括：接收环境参数；根据预先配置的环境参数与运算 放大器的器件参数之间的相对变化关系，对用户输入的器件参数的参数值和未被用户输入 的器件参数的默认值进行调整；并且，在对运算放大器进行仿真时，基于调整后的结果进行 仿真。
[0065] 为了体现环境参数对运算放大器的影响，在进行仿真之前，该方法可W进一步包 括：预先配置环境参数与运算放大器的多种器件参数之间的相对变化关系，并W函数的方 式表示相对变化关系。也就是说，在根据本发明实施例的运算放大器的模型中，包含外部环 境参数的接口，并且可W理解为，将运算放大器的模型（包括接收器件参数的接口 W及器 件参数与输出之间的相对变化关系）进行一次封装，在该封装之外再进行一次外层封装， 外层的封装包含输入外部环境参数的接口，在进行仿真时，运算放大器的器件参数（不论 是输入的器件参数还是被设置为默认值的器件参数）均会首先受到输入的环境参数的作 用而发生变化，在仿真运算放大器的输出时，所基于的是因为环境参数而变化后的器件参 数。
[0066] 可选地，之前输入的环境参数可W包括W下至少之一：
[0067] 溫度参数、气压参数、福照参数、磁场参数。
[0068] 另外，在一个实施例中，运算放大器的模型可W基于VHDL-AMS建模得到，运算放 大器的模型中包含多种器件参数与运算放大器的输出结果之间的相对变化关系，并且提供 了用于接收多种器件参数的接口。并且，运算放大器的模型为通过行为级建模得到。具体而 言，运里的行为级建模是指根据器件的输入/输出外特性参数或者传输函数来构造模型， 运种方式的建模关注于电路器件或原件的工作原理，而无需理解具体元件的内部机理，模 型参数可通过直接测量而获得。通过行为级的建模方式来对运算放大器进行建模，能够有 效提高建模和仿真的效率，并且使得运算放大器的模型具有更好的通用性，而不仅仅局限 于某一种具有特定结构或特性的运算放大器。
[0069] 另外，上述的VHDkAMS作为VHDL(全称为Ve;ry-Hi曲-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)的一个语法与功能扩展语言，针对模拟信号和混合信号 提供了系统的建模和仿真方法，本发明利用VHDkAMS语言，提出了运算放大器（0PAMP)的 建模和仿真方法，从而可W仿真运算放大器在外部环境因素变化的情况下的实际性能，并 可W在Systemvision环境下（在其他实施例中，仿真和测试还可W在其他环境下进行）进 行模型的仿真和测试。
[0070] 借助于基于环境参数来修正运算放大器的参数，不仅能够在诸如Systemvision 的环境下，通过建模仿真来评估运算放大器（包括其中的1C器件）在特定环境因素下的性 能，而且可W仿真1C器件在外部环境因素变化的情况下的实际性能。 阳071] 其中，上述的VHDL于1987年底被IE邸和美国国防部确认为标准硬件描述语言， 作为主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口的语言，VHDL语言设计方法灵活多 样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；既支持模块化设计方法，也 支持层次化设计方法。运使其在数字电路设计中发挥了巨大作用，但是在如今运个电子设 计复杂性增高的时代，VHDL已经不能完全适应对模拟和混合信号电路设计的要求。为此， IE邸于1999年发布了 IE邸VHDL Std 1076. 1标准，扩展了 VHDL对模拟和混合信号系统的 描述及仿真能力，1076. 1标准即为VHDL-AMS标准。
[0072] VHDL-AMS在VHDL基础上扩展了对模拟和混合信号的描述和应用，具体如下： 阳07引 （a)支持VHDL 1076-1993标准的所有语法和语意，是VHDL语言的扩展集。
[0074] 化）增加了支持连续行为级的新仿真模型，该模型是基于微分代数方程（DAE巧的 连续模型，微分代数方程的解答用到了专用的仿真核屯、。
[007引 （C)扩展了 VHDL语言的结构语意，加入了应用于模型物理系统的传统语意，比如： 针对电子电路的基尔霍夫定律；加入了针对抽象模型的非传统语意，比如：信号流描述。
[0076] (d)可W兼容混合信号接口，模型可W同时包含数字和模拟端口。
[0077] (e)增加了对频率域的支持，小信号频率及噪声建模和仿真。对于模拟信号，VHDL_ AMS用保留字"quantity "定义，quantity具有连续幅值，只能是浮点类型，VHDL_AMS中同时 引入了一些隐式quantity,如quantity对时间的微分怕'dot)、积分（Q'integ)等，Q代表 一个标量的quantity。VHDL_AMS支持信号流和守恒系统建模方式。对于守恒系统其端口 及内部节点用保留字"terminal"定义，同时要说明端口及节点的性质。联立语句是为描述 连续系统的行为而新增的语句，可W在并发语句区出现，在确立时写成特征表达式的形式。
[0078] 此外，由于体现运放性能的参数有很多，例如包括：输入电阻巧I)，输入失调电压 (V0S)，输入偏置电流（IB)，输入失调电流（I0S)，开环增益（AWL)，增益带宽积（GBW)，转换 速率/压摆率（SR)，共模抑制比（CMRR)，电源抑制比（PSRR)，输出阻抗狂0)等。在不同应 用环境、不同用途中对运放的性能参数影响、要求也不同，本文主要针对比较通用的运放进 行建模，所W考虑通用运放模型的几个重要性能参数：输入失调电压（V0S)，输入偏置电流 (IB)，共模抑制比（CMRR)，开环增益（AWL)，电源抑制比（PSRR)。
[0079] 尽管应当注意的是，对于不同应用场景下应用的运算放大器，同样可W获取其关 键参数与环境参数之间的变化关系，从而在对其进行仿真的过程中考虑环境参数的影响。
[0080] (1)忘算放大器的丰要参撒
[0081] (1. 1)输入失调电压（VJ :理想状态下，如果运算放大器的两个输入端电压完全 相同，输出应为0V。实际上，还必须在输入端施加小差分电压，强制输出达到0。该电压称 为输入失调电压Ves。输入失调电压可W看成是电压源Ves，与运算放大器的反相输入端串 联，如图3所示。
[0082] (1. 2)输入偏置电流（IB):该性能参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端 的平均电流。
[008引 （1.扣共模抑制比（CMRR):为了说明差分放大电路抑制共模信号的能力，常用共 模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对 共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比。差模信号电压放大倍数Aud越大，共 模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强， 放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc = 0,则共模 抑制比CMRR -运是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能 趋于无穷大。
[0084] (1. 4)开环增益（AWL):在不具负反馈情况下（开环路状况下），运算放大器的放 大倍数称为开环增益，简称AVOL。AWL的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍之间。 阳0财 （1. W电源抑制比（PSRR):电源抑制比（PSRR)定义为当运放工作于线性区时，运 放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影 响。共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比。此值越大越好，较小时输出中 出现电源噪声。
[0086] (2)忘算放大器横巧律立
[0087] 从功能上讲，运算放大器是对电信号进行放大的1C器件；从结构上看，运算放大 器包含输入级、中间放大级、和输出级。运算放大器的模型是从建立较理想、具有最基本 功能和性能参数的基本模型电路出发，而后建立能够体现运放性能的主要性能参数（V0S， IB，CMRR，AWL，PSRR)的各个模块电路，针对运算放大器的模型可W参照图4所示，在应用 VHDL-AMS语言对图4所示的各个组成模块分别建立模块模型，就能够组成运放模型从而进 行测试验证。
[0088] (2. 1)运算放大器基本模型
[0089] 如图1所示，运算放大器基本模型从外部看主要由两个输入端a(反相输入端）、 b (同相输入端）、W及一个输出端0。进一步参照图5,从内部结构来看，运算放大器大致分 为差分输入级、中间放大级、输出级Ξ部分。
[0090] 在图5所示的结构中，端口 1和2分别为差分输入级的正向输入端和负向输入端， VCC和VEE为运放正负电源端，端口 81为输出级输出端，端口 103为参考电压端。
[0091] 运放基本模型是比较理想化的模型，体现运放基本性能的器件参数Avol开环增 益、化化Z)单位增益带宽、Slew(VAis)压摆率等的计算如下：
[0096] 在W上公式（1)至（4)中，表示了 CPURP1和压摆率W及截止频率巧1的关系，其 中，CP1为中间放大级电容，RP1为中间放大级电阻。
[0097] (2. 2)输入失调电压及偏置电流模型
[0098] 输入失调电压表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差，用来调节在输 入信号为零的前提下输出也为零。
[0099] 输入偏置电流指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。在正常情况 下，运算放大器差分输入两端会有小的电流流入。
[0100] 如图6所示，输入失调电压表现在模型电路上是在运放正向输入端加入受控电压 源V0FF，输入偏置电流则是在运放的正向输入端和反向输入端加入受控电流源IB0FF。 阳101] 在基本模型的基础上，在图6所示位置加入受控电压源V0FF和受控电流源IB0FF 后，使得基本模型具备了失调电压参数V0S和偏置电流参数IB。 阳1〇2] (2.3)共模抑制比模型 阳103] -个理想的运算放大器应该具备： 阳104] 1.只作用于差分输入。
[01化]2.忽视加在输入端的共模电压 阳106] 但是在实际的运算放大器模型中，尽管对共模输入抑制的很好，但是不完美。在实 际电路中，共模输入的变化可能引起输出端小的变化。引起运个变化的原因在于输入级的 晶体管和电阻不匹配，导致了在差分输入端共模电压产生了一个小的差分误差电压。随后， 运个误差电压随着其他从输入端进来的信号一起被放大。图7为共模抑制比模型电路，用 来最大限度抑制共模电压所带来的误差。 阳107] 图7中，在RCM设定后，则存在如下关系式：
[0110] 在公式（5)和（6)中，fz为RCM、LCM回路的截至频率，KGCM为受控电流源GCM的 增益。 阳111] (2.4)电源抑制比模型 阳11引影响输出信号的因素除了电路本身之外，还受到了供电电源的影响。PSRR是一个 用来描述输出信号受电源影响的量，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小。图8为电 源抑制比模型电路。
[0113] 设受控电压源EPSY的增益为Ke，则电源抑制比满足下式：
[0114]
公式（7)
[0115] 至此，运算放大器基本模型及相应的性能参数模型建立完毕，接下来是验证所建 运放模型的有效性、正确性。 阳11引 (3)忘算放大器横巧参撒輪证
[0117] 模型里的输入失调电压、输入偏置电流、共模抑制比、开环增益、电源抑制比都可 W在各自模块设定，在Systemvision下，通过标准测试电路可W对模型设定好的各项性 能参数做测定，通过比较各项性能参数的测定值和设定值，来验证所建模型的有效性、正确 性。 阳11引 （3. 1)输入失调电压的测定
[0119] 测量几微伏的输入失调电压时，测试电路产生的误差不应比失调电压本身更多。 图9所示为测量失调电压的标准电路。该电路W 1001的噪声增益放大输入失调电压，测量 采用精确数字电压表在放大器输出端完成。折合到输入端（RTI)的失调电压可W通过输出 电压除W噪声增益计算得出。 阳120] 图9所示的输入失调电压的测量方法如下：
[0121]
公式做 阳12引设定运放模型的输入失调电压V0S分别lmv、0.1 mv，在Systemvision下结合图9 的测量电路，输入失调电压仿真结果如图10所示。 阳12引从图10中可W看出输入失调电压设定值在lmv、0.1 mv下，结合做式计算出测定 值分别为0. 9lmv、0. 09Imv。相对偏差皆为0. 9%。下表1为输入失调电压多组仿真实验数 据。
[0124] 表1输入失调电压仿真实验数据 阳1巧]
阳126] (3. 2)输入偏置电流的测定
[0127] 运算放大器两输入偏置电流之平均值称为输入偏置电流IB，设运算放大器反相输 入端直流偏置电流为IB1，正相输入端直流偏置电流为IB2,则有如下关系： 阳12引
公式（10)
[0129] 输入偏置电流标准测试电路如图11所示，基于图11所示的电路，测量输入正偏电 流和负偏电流的步骤如下： 阳130] 姑）当开关S1及S2均置于（0脚状态时，此时之V0即为VI0,我们将此时的V0 设为V01 ;当S2置于ON状态而S1置于OFF状态下，此时的V0设定为V02,根据克希荷夫电 压定理（KVL)，V02 = V01+IB1，因而我们可W导出IB1如（11)式所示：
[0131]
公式（11)
[0132] (2b)当S1置于ON状态及S2置于OFF状态下，此时的V0设定为V03 ;由克希荷夫 电压定理，V03 = V01-IB2 · R2,因而可W导出IB2如（12)式所示： 阳133]
公式（12)
[0134] 测量电路中R1及R2的值，可W采用1ΜΩ或5ΜΩ，毫伏表的输入阻抗最好大于 lOOkQ W减少负载效应，运里，可W取1ΜΩ。
[0135] 设定运放的偏置电流为0. 6nA，在Systemvision下结合图11测量电路，输入偏置 电流仿真结果如图12所示。 阳136] 从图12中可W得出V01、V02、V03,结合（11)、（12)式，得出在偏置电流设定为 0. 6nA条件下，负偏电流，和正偏电流的测定值分别为59. 95nA，59. 92,相对偏差分别为： 0. 08%，0. 13%。下表2为输入偏置电流多组仿真实验数据。 阳137] 表2输入偏置电流仿真实验数据 阳13引
[0139] 化3)共模抑制比的测定
[0140] 共模抑制比可W通过多种方式来测量，例如，如图13所示，可W采用四个精密电 阻将运算放大器配置成差分放大器，信号施加于两个输入端，从而测量输出变化，测量步骤 如下：
[0141] (3a)在Vin端输入一个电压，记为Vinl，此时输出为Voutl。
[0142] (3b)在Vin端输入另一个电压，记为Vin2,此时输出为Vout2。
[0143] CMRR满足下面关系式：
[0144] AVin = Vinl-Vin2 公式（13)
[0145] AVout = Voutl-Vout2 公式（14)
[0146]
公式（巧）
[0147] 设定运放的共模抑制比为100地，输入端Vin分别加3V，4V直流电压，R1、R2皆为 化Ω，在Systemvision下结合图13所示的测量电路，共模抑制比仿真结果可如图14所示。
[0148] 从图14中得出Vin分别在3V、4V下的Voutl、Vout2,结合关系式（15)得出CMRR 测定值为105. 19地，相对偏差为5. 19%。下表3为共模抑制比多组仿真实验数据。
[0149] 表3共模抑制比仿真实验数据 阳1加]
阳巧1] (3.4)开环增益的测定 阳15引 AWL的测定方法有很多种，例如，参照图15所示的AWL标准测定方式，图15中 AUT(Amplifier Under Test)为待测放大器；BUF度uffer)为缓冲放大器。VA等于0V时V01 趋近于0V，VA等于10V时V01则趋近于-0V，因此V01的输出约有10V的变化量，所W我们 将此变化量W A V0代替的。V01的输出有变化，在该放大器的输入端必也引起相对应的变 化，将此变化量W A VI代替。在图15中待测放大器本身不具有负反馈，因此求出Δνο与 AVI的比值即为待测放大器的开环路电压增益（AWL)。 阳153] VA不一定要用10V代入，用VA为-10V代入亦可，只不过此时V01会趋近于正10V。 同理，VA亦可用+5V代入，W求取AWL ;但VA不能用大于电源电压的电压源代入。 阳154] 测量步骤如下：
[0155] (4a)将VA设为10V，此时测量AUT的输出为Voll，BUF的输出为Vo21。 阳156] (4b)将VA设为0V，此时测量AUT的输出为Vol2, BUF的输出为Vo22。则有W下 关系式： 阳 157] ΔΥοΙ = Vol2-Voll 公式（16) 阳 158] Δν〇2 = Vo22-Vo21 公式（17) 阳159]
公式（18) 阳160] 设定运放的开环增益为100地，Va分别为10V、0V，在Systemvision下结合图15所 示的测量电路，得到开环增益仿真结果如图16所示。 阳16U 结合图16仿真结果和关系式（16)、（17)、（18)可W算出AWL的测定值为 99. 99地，相对偏差为0. 01 %。下表4为开环增益多组仿真实验数据。 阳162] 表4开环增益仿真实验数据 阳 163]
[0164] (3.5)电源抑制比的测定 阳1化]图17所示为测量PSRR的标准电路。其中，AUT为待测放大器，A1为缓冲放大器， 针对IV对称电源变化选择电压。也可选用其它合适的电压值。 阳166] 测量步骤如下：
[0167] 巧a)将DUT的电源电压设为Vsl，此时放大器A1输出为Voutl。 阳168] 巧b)将DUT的电源电压设为Vs2,此时放大器A1输出为Vout2。则有如下关系式：
[0169] AVs = Vsl-Vs2 公式（19)
[0170] Δ Vout = Voutl-Vout2 公式（20) 阳171]
公式（21) 阳17引设定运放的电源抑制比为100地，Vs分别为14. 5V，13. 5V，在Systemvision下结 合图17所示测量电路，得到电源抑制比仿真结果如图18所示。 阳17引结合图18仿真结果和关系式（19)、（20)、（21)可W计算得出PSRR测定值为 93. 98地，相对偏差为6. 02%。下表5为电源抑制比多组仿真实验数据。
[0174] 表5电源抑制比多组仿真实验数据 阳1巧]
[0176] 共模抑制比和电源抑制比受基本模型反馈影响，测定值难达到设定值，实际上，在 1C器件制造工艺当中，共模抑制比是一个参考值，1C器件的共模抑制比在参考值上下10 % JjL -6" 〇 阳177] (4)忘算放大器横巧的综合由路测试
[0178] (4. 1)运算放大器模型的外部接口
[0179] 上面建立了运算放大器的基本模型和各个重要参数模型，使得所建立的模型有了 运放的基本功能和性能。本发明的目的在于建立一套能够仿真1C器件在某种环境因素变 化的情况下的性能W及功能的模型库，经过分析运放的性能参数W及结合实际的实验结 果，本发明还可W在运放的模型里加入了一项外部环境因素的接口如图19所示。
[0180] 图19所示出的接口除了包括共模抑制比、开环增益等器件参数的接口之外，还加 入了运算放大器模型的外部环境因素剂量结构，其可W代表溫度、气压、福照、磁场等环境 因素。外部输入Dose的变化，会引起运算放大器功能、性能的变化，从而能够反应出环境因 素对1C器件的影响。 阳181] Dose输入的变化反应在运算放大器内部就是运算放大器各个性能参数的变化，图 20为外部环境因素在运算放大器内部的具体体现。如图20所示，外部因素 Dose变化，会 引起运算放大器内部共模抑制比CMRR、电源抑制比PSRR的变化，具体变化W函数的形式体 现，而具体的函数是通过具体实际的大量实验结果经过拟合的函数曲线。图20中只给出了 部分参数的函数关系式。实际上，其他参数的函数关系式同样落入本发明的保护范围内。 阳182] 运算放大器的外部接口是连接运放模型和现实世界的桥梁，通过外部接口可W仿 真出运算放大器受外部环境影响而引起的功能、性能的变化，具有重要意义，也是本文的最 终目标。 阳183] (4. 2)运放理想电路测试
[0184] 上面介绍了运放的模型建立W及性能参数的验证，经过对比各项参数的设定值和 测定值，就单个性能参数来讲是足够准确和有效的。但是仅仅验证运放的关键几个参数的 正确性不能完全说明运放模型的正确性，运放的整体性能有必要在具体运放测试电路里面 进行测定，观察验证运放的仿真后结果是不是和设计的理想值是相符的或者是接近的很有 必要。图21为运放测试电路的结构简图，其中包含正向输入端V2,负向输入端VI，W及参 考电压端化ef，输出端Vo。 阳185] 为了测试实验方便，给定R1 = 4ΚΩ，R2 = R3 = R4 = 20ΚΩ，因而有下面关系；
[0186] Vo = 3V1-5V2+3化ef 公式（22) 阳187] 下面进行四组测试：
[0188] (组一）VI端加振幅为1. 0V，频率为化监的正弦信号，V2和化ef端都接地，其仿 真结果如图22所示。
[0189] (组二）V2端加振幅为2. 0V，频率为10K监的正弦信号，VI和化ef端都接地，其 仿真结果如图22所示。
[0190] (组Ξ ) VI端加振幅为1. 0V，频率为化监的正弦信号，化ef加0. 5V参考直流信 号，V2接地，其仿真结果如图24所示。 阳191](组四）VI端加振幅为6. 0V，频率为化监的正弦信号，V2和化ef端都接地，其仿 真结果如图25所示。
[0192] 结合四组测试条件分析图22、图23、图24、图25中的仿真结果，曰、b、C Ξ组测量 都符合关系式巧-1)，而d组测试的仿真结果图25不符合关系式（22)，原因在于当在于运 算放大器一部分工作在线性放大区，超过电源电压部分工作在非线性区。一般情况下非线 性区口限电压V0小于电源电压，本实施例所建模型口限电压为约14V。 阳193] 根据本发明的实施例，还提供了一种运算放大器的仿真装置。
[0194] 如图26所示，根据本发明实施例的运算放大器的仿真装置包括：
[01巧]接收模块2601，用于接收用户输入的器件参数； 阳196] 调用模块2602,调用预先配置的运算放大器的多种器件参数与运算放大器的输出 结果之间的相对变化关系； 阳197] 仿真模块2603,用于基于输入的器件参数W及调用的变化关系，对运算放大器进 行仿真。
[0198] 在一个实施例中，接收模块2601还用于接收输入的环境参数； 阳199] 并且，根据本发明的仿真装置进一步包括： 阳200] 调整模块（未示出），用于根据预先配置的环境参数与运算放大器的器件参数之 间的相对变化关系，对用户输入的器件参数的参数值和未被用户输入的器件参数的默认值 进行调整； 阳201] 并且，仿真模块2603用于基于调整后的结果进行仿真。 阳202] 并且，根据本发明的仿真装置可W进一步包括： 阳203] 配置模块（未示出），用于预先配置环境参数与运算放大器的内部参数之间的相 对变化关系，并W函数的方式表示相对变化关系。 阳204] 可选地，上述输入的环境参数可W包括W下至少之一：溫度参数、气压参数、福照 参数、磁场参数。 阳205] 另外，对于较为通用的运算放大器而言，上述器件参数可W包括W下至少之一：失 调电压、偏置电流、共模抑制比、电源抑制比、开环增益。实际上，对于不同场景下使用的运 算放大器，通过在环境参数与运些运算放大器的参数之间建立变化关系，本发明同样能够 仿真得到环境参数对运些运算放大器的影响。 阳206] 此外，在可选的实施例中，上述运算放大器的模型可W基于VHDL-AMS建模，并且， 可W建模的过程可W通过行为级建模的方式完成。 阳207] 根据本发明的实施例，还提供了一种运算放大器的建模方法。 阳20引根据本发明实施例的建模方法基于VHDL-AMS、且W行为级建模的方式对运算放大 器进行建模。 阳209] 具体地，根据本发明实施例的运算放大器的建模方法包括：
[0210] 配置并保存运算放大器的多种器件参数与所述运算放大器的输出结果之间的相 对变化关系； 阳211] 配置用于接收所述多种器件参数中部分或全部参数的接口。
[0212] 并且，该建模方法还可W包括：配置环境参数输入接口，并且配置环境参数与多种 器件参数之间的相对变化关系。
[0213] 可选地，环境参数可W包括W下至少之一：溫度参数、气压参数、福照参数、磁场参 数。另外，对于较为通用的运算放大器而言，上述器件参数可W包括W下至少之一：失调电 压、偏置电流、共模抑制比、电源抑制比、开环增益。应当注意的是，运里所列举的参数仅仅 用于说明，而并不用于限制本发明的保护范围。
[0214] 综上所述，本发明通过根据输入的器件参数W及器件参数对放大器输出的影响对 运算放大器进行仿真，使得仿真的过程能够考虑到运算放大器本身的性能，从而使仿真更 加准确、客观；另外，通过接收环境参数并调整运算放大器的器件参数之后进行仿真，能够 使得仿真结果与运算放大器实际所处的环境相关联，进一步有效提高仿真结果的客观性和 可靠性。
[0215] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种运算放大器的仿真方法，其特征在于，包括： 接收用户输入的器件参数； 调用预先配置的所述运算放大器的多种器件参数与所述运算放大器的输出结果之间 的相对变化关系； 基于输入的所述器件参数以及调用的所述变化关系，对所述运算放大器进行仿真。2. 根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，在对所述运算放大器进行仿真时，对 于所述多种器件参数中被用户输入的所述器件参数，将输入的参数值带入被调用的相应变 化关系中；对于所述多种器件参数中未被用户输入的器件参数，设置为默认值并带入被调 用的相应变化关系中。3. 根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，进一步包括： 接收环境参数； 根据预先配置的环境参数与所述运算放大器的器件参数之间的相对变化关系，对用户 输入的所述器件参数的参数值和未被用户输入的器件参数的默认值进行调整； 并且，在对所述运算放大器进行仿真时，基于调整后的结果进行仿真。4. 根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，进一步包括： 预先配置环境参数与所述运算放大器的器件参数之间的相对变化关系，并以函数的方 式表示所述相对变化关系。5. 根据权利要求3或4所述的仿真方法，其特征在于，输入的所述环境参数包括以下至 少之一： 温度参数、气压参数、辐照参数、磁场参数。6. 根据权利要求1至4中任一项所述的仿真方法，其特征在于，所述运算放大器的多种 器件参数包括以下至少之一： 失调电压、偏置电流、共模抑制比、电源抑制比、开环增益。7. 根据权利要求1至4中任一项所述的仿真方法，其特征在于，所述运算放大器的模 型预先基于VHDL-AMS建模，其中，所述运算放大器的模型中包含所述多种器件参数与所述 运算放大器的输出结果之间的相对变化关系，并且提供了用于接收所述多种器件参数的接 □ 〇8. 根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述运算放大器的模型为通过行为 级建模得到。9. 一种运算放大器的仿真装置，其特征在于，包括： 接收模块，用于接收用户输入的器件参数； 调用模块，用于调用预先配置的所述运算放大器的多种器件参数与所述运算放大器的 输出结果之间的相对变化关系； 仿真模块，用于基于输入的所述器件参数以及调用的所述变化关系，对所述运算放大 器进行仿真。10. -种运算放大器的建模方法，其特征在于，所述建模方法基于VHDL-AMS、且以行为 级建模的方式对运算放大器进行建模，其中，所述建模方法包括： 配置并保存运算放大器的多种器件参数与所述运算放大器的输出结果之间的相对变 化关系； 配置用于接收所述多种器件参数中部分或全部参数的接口。
【文档编号】G06F17/50GK105989199SQ201510049915
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】刘锦辉, 王芳, 赵小冬, 张亚棣, 王泉, 刘刚, 万波
【申请人】西安电子科技大学昆山创新研究院, 西安电子科技大学, 赵小冬