二级运算跨导放大电路 (OTA) 的设计案例 – 仿真验证
理论计算完成以后，就需要根据计算得出的各晶体管的宽长，做出电路原理图，以该原理图作为被测器件，在输入端加上所需的激励，在在输出端接收对应激励的反馈，这些就构成了测试台 ( Test Bench )，也就是说，用软件模块来起到了一个集成电路测试实验室的功能，实验室所有的硬件设备，如电压源，电流源，电压电流计，频谱仪等都能在
表 1 二级 OTA 设计规范
表 2 仿真电路中各晶体管沟道的长宽
根据上述各晶体管沟道的长宽，构成的电路原理图如图1， 晶体管的直流参数显示在对应器件的旁边。
图 1 二级 OTA 电路仿真示意图
首先由于最大输入共模范围 ICMR+ 为1v，这是输入信号的上限，我们模拟在此上限的情况下，该放大器的各参数；
其他设置如下：
VDD=1.2v, CL=2pF, Cc=800fF, Vac=10mv, IDC=20uA;
各晶体管的静态工作点，直流参数如下图；
图2 各晶体管的静态工作点
从下面的交流波形图中可以得到： 增益G=75.6 dB, 增益带宽积GBW= 34.9 MHz, 相位P= – 45.9 Deg。
图 3 放大器的增益, 增益带宽积和相位
接下来由于最小输入共模范围 ICMR- 为0.5v，这是输入信号的下限，我们模拟在此下限的情况下，该放大器的各参数；
图4 各晶体管的静态工作点
从下面的交流波形图中可以得到： 增益G=48.6 dB < 60dB (设计规范), 增益带宽积GBW= 26.2 MHz < 30 MHz (设计规范), 相位P= – 48.9 Deg；并且晶体管 NM0, NM1 处于Region 1 放大区， 因此得到上述结果和正常。
图5 放大器的增益, 增益带宽积和相位
在实操7，二级运算跨导放大电路 (OTA) 的设计案例 – 理论计算部分，我们通过理论计算和分析，得出推论，最小输入共模范围 ICMR- 如果为0.5v，将导致VD5SAT 为负值 ( – 165 mV)，这在实际情况下是不可能发生的，因此可用认为最小输入共模范围为 0.5v 超出了该放大器的工作范围，结果就是仿真得到的参数不满足设计规范；所以在这一点上，理论计算和仿真验证相吻合；根据理论计算，要让VD5SAT 为正值，并且是一个合理的值 (仿真时发现，VD5SAT 都在 100mV左右)，取为 105 mV；这样再根据假设，求出最小输入共模范围 ICMR- 为 0.77 v，
取 ICMR- 为0.7v
图6 各晶体管的静态工作点
从下面的交流波形图中可以得到： 增益G=75.8 dB, 增益带宽积GBW= 32.7 MHz, 相位P= – 46.3 Deg，满足设计规范。
从之前的理论计算和分析，ICMR- 要大于 0.77v 该放大器才能正常工作，仿真结果说明在 ICMR- 0.7v时放大器就能正常工作，也就是理论计算中的多个假设取得比较保守，这也就是为什么一定要有仿真结果和理论计算相比对，以确定实际的范围。
图7 放大器的增益, 增益带宽积和相位
取 ICMR- 为0.6v：
图 8 各晶体管的静态工作点
从下面的交流波形图中可以得到： 增益G=75.3 dB, 增益带宽积GBW= 34.2 MHz, 相位P= – 45.8 Deg， 满足设计规范。
图9 放大器的增益, 增益带宽积和相位
功耗仿真
如图10 ，打开 “ Outputs” 的下拉式菜单，点击 “ Save All ..,”， 出现一个新窗口。
图 10 保存功耗数据设置
在新窗口里，把 “ Select power signals to outputs ( pwr )” 后的按钮 “ all” 勾选上，让后点击 “ OK”，如图11 ，这样在仿真时，工具自动将各器件，连线等的功耗信息仿真并保存，仿真结束后就可用调出相关数据查看。
图 11 保存功耗数据选项
仿真结束后，打开 “ Tools” 的下拉式菜单，点击 “ Results Browser ..,”， 出现一个新窗口， 如图13。
图 12 查看功耗数据
如下图，新窗口中右侧显示各种数据，其中 “ dcOp-dc” 是显示功耗信息，打开后就可用看到放大器系统的功耗和各个器件的功耗。
图 13 查看功耗数据
图 14 查看功耗数据
上述的仿真是基于正常温度下 ( 室温27度 )，施加准确的电源电压 ( 1.2v )，工艺角选择
是典型的工艺 ( typical )，而在实际使用环境下，温度根据器件的应用类别，有消费级，工业级，汽车级和军事级等，各对应不同的温度范围，如工业级温度范围是从 -45度到 85度，这样在两个极限温度下都要做仿真；还有电源也不是完全稳定的，向正方向和反方向各有 10% 的波动；最为重要的是工艺，材料等的波动 ( 五个或九个工艺角 )，这些条件下仿真都要通过，这个电路原理图的验证才算最终完成，进到下一个阶段，版图设计。
由于放大电路理论部分占了很大篇幅，因此仿真只在典型条件下仿，在之后的参考电源，锁相环电路的验证中，将把工艺角，温度和电压波动完整的仿真。