电压比较器增益仿真该开环还是闭环

海绵

我尝试了两种增益仿真方式：

1，负反馈接成单位增益缓冲器，用iprobe跑stb得到环路增益，得到gAIn。

2，VINN给DC加ref电压，VINP给相同DC再加1V的AC，环路断开，输出空载，跑ac，求出vout/VINP的AC增益，得gain。

方法2存在一个问题，断环的时候由于输出DC没有钳位（电流源负载的共源极放大），所以第二级放大器的工作状态随温度，corner变化巨大，增益变化很大。

得到的结论是，似乎用方法1接成闭环仿真增益是更靠谱的。

存在困惑的点是：  
Q1：比较器在实际应用过程中是开环用，他的输出电压就是逻辑高和低（第二级必定会有管子退饱和），并没有钳位电路来给输出点DC偏置，为什么增益仿真要用闭环（闭环将输出DC钳位在vref，两个管子可以都饱和）？


Q2：比较器的输入比较的是直流电平，似乎都是DC大信号，仿真小信号增益的意义何在？（或者说小信号增益如何作用于大信号的比较）  




欢迎指正解惑！

xuwenwei

比较器一般是开环吧

魔陈公仔

比较器一般是仿开环，本质其实就是放大差别微小的信号。正常来说，vin和vref的差值很大，那么运放可以迅速放大输入电压差到逻辑电平。但也会存在vin和vref差值很小的时候，比如1mV，甚至100uV，那这时你运放建立的速度就很慢，甚至可能出错。在一个比较器中，增益一般和敏感度有关，增益越大，就越能识别微小信号差。

海绵

魔陈公仔 发表于 2021-4-15 15:36
比较器一般是仿开环，本质其实就是放大差别微小的信号。正常来说，vin和vref的差值很大，那么运放可以迅速 ...

你好！非常感谢你的回答！

开环方式仿增益的话会存在一个问题就是  VOUT端的电压变化随PVT特别大（因为Vout端本来就是逻辑高低的输出），当我输入DC相等的时候，好不容易把第二级放大器调到饱和，结果换个corner、温度，第二级放大器的DC立马偏了，立马截止或者线性，甚至第二级是负增益。


想请问下，我们是不是希望让比较点Vref附近的ac   gain很大？这种情况下增益怎么调？
比如让做一个增益为60dB的比较器，这里的60dB指的是什么增益，应该在哪种条件下仿真得到？


万分感谢！

海绵

xuwenwei 发表于 2021-4-15 13:09
比较器一般是开环吧

你好，谢谢你的回复！
想请问下 如若是仿真开环增益，那么第二级放大器的DC偏置该如何保证？偏得实在太多了

2013102063

看结构呢 这种闭环仿STB 看-3dB带宽和增益 没啥问题

魔陈公仔

海绵 发表于 2021-4-15 18:00
你好！非常感谢你的回答！

开环方式仿增益的话会存在一个问题就是  VOUT端的电压变化随PVT特别大（因为V ...

你这电路的本质就是一个五管运放加一个共源极，你把它当成运放调就好了，但是它作为比较器时就是一个运放的开环应用，本质——运放。

你所谓的输出逻辑电平会影响第二级管子工作状态不饱和，这是对的现象，但不是你所理解的在这种情况下所有管子必须工作在饱和区，并且这只有在瞬态仿真时的某个时间点会看到，这是开环拥有的现象。但是仿ac是建立在dc工作点上，一定要饱和的，不存在输出会到逻辑电平的情况。如果PVT下有不饱和的工作点，那是电路设计本身的问题，和开环闭环仿真没关系，更何况你这是单端运放，不是差分，根本不需要共模反馈。所以就是调运放了呀，哪个corner挂了，就把它单拉出来调。

对于Q1，不要把瞬态的结果和ac对应起来，虽然有联系，但跟你所理解的完全不一样。一般来说增益和瞬态建立的精度有关，带宽和瞬态建立的速度有关。如果你连运放的ac都调不好，增益、带宽都不理想，就不要去分析瞬态了，ac和瞬态建立的关系是有数学推导的。如果你觉得它作为比较器，输出信号的逻辑电平建立太慢了，你就加带宽，如果你觉得10mV它很容易判断出来，但是1mV它就很难判断出来时，你就加增益，高增益可以提高敏感度。

关于你的Q2，输入是DC大信号，对的没问题，但是小信号就不关心了吗？如果你的vref是500mV，输入信号是510mV，而你的运放的增益是10，比出来的结果是什么？10mV的压差我给你放大10倍，100mV，输出共模我也给你500mV，加上放大的10倍，600mV不过分吧，运放它干活了嘛？它干了啊，还很精准，输出到逻辑了吗？没有啊。那是谁的问题呢？那么仿增益有没有用呢？

严谨，没有让做一个增益为60dB的比较器这种说法。只有把运放开环应用当做一个比较器时，这时的60dB指的当然是运放的低频增益啊，一个运放，开环都没调好，何必仿闭环呢？比较器相关的指标一般都是速度和精度，比较器可不止开环运放一种这么简单。

海绵

魔陈公仔 发表于 2021-4-15 22:17
你这电路的本质就是一个五管运放加一个共源极，你把它当成运放调就好了，但是它作为比较器时就是一个运放 ...

非常感谢你详尽生动的解答！收益良多！


我大致总结一下：


1.  大信号输入时，输出为逻辑电平，此时第二级共源放大退饱和，不关心此时的增益；我们所关心的增益，是输入DC偏置在VREF附近的ac gain，这时小信号增益越大，分辨精度越高。


2. 比较器ac增益仿真应该开环仿，且应确保管子饱和再去仿ac，工作状态不稳定仿真ac没有意义。所以应确保 差分输入均为VREF的情况下，在任何corner和温度下均应保证第二级共源放大处于饱和区，以实确保   输入在VREF附近的小信号能有较大的增益。


3. 拉扎维在 电流源负载的共源级里讲    “应该注意到，电流源负载共源级的输出电压没有完全确定，因此只有反馈环路将VOUT钳制在一个已知的电位上，共源级偏置才能稳定。”     


根据这句话，结合我的比较器电路，之前我的理解是：由于VOUT的电位不确定，所以在开环条件下，即使我将TT下的第二级共源放大调到了饱和，也会由于corner的偏差导致Vout过大或者过小，导致退饱和。因此，很难保证 第二级 dc 永远饱和。 因此在各种条件下均满足第二级饱和  很难or不现实。


按你的回复，似乎应该理解为，第二级vout也许并未完全确定，但不应影响工作状态， 完全可以实现全corner下的饱和。


以上3条理解不知是否有误？还望斧正！
感激不尽！

魔陈公仔

海绵 发表于 2021-4-16 10:54
非常感谢你详尽生动的解答！收益良多！

1，2差不多是你理解的那样吧。

共源极其实可以理解为输入电压通过一个跨导来产生一个和电流源负载相同的电流。这里就是第一级输出通过PMOS来产生一个和N电流镜相同的电流，然后输出电压会稳定在某一个值，只是你不确定这个值是多少。作为运放运用时，输出共模点很重要，但是当做一个比较器，输出共模点其实无所谓了。

电流镜退饱和，意味着你的vds很小了，这样会限制电流镜的电流使其变小，为什么？因为这时候你的PMOS跨导太小了，就算有很大的vgs，产生的电流也不足以和电流镜相等，所以电流镜退饱和了。同样的如果是PMOS退饱和，就是电流镜电流太小了，而PMOS的能力太强，所以PMOS退饱和来与电流镜保持平衡。这才导致输出电压会浮动。

运放之所以为运放，不论它是什么结构，共源也好，共栅也好，都是先有大信号（偏置）条件下，所有MOS管都是饱和的基础上，才能进行小信号模型等效，算它的增益。大信号工作点建立了，分析小信号才有意义。

如果PVT真的不好调，加一个密勒补偿试试，或者二级负载用栅漏短接试试。PVT，是个麻烦的东西哎。。。。。

海绵

魔陈公仔 发表于 2021-4-16 20:38
1，2差不多是你理解的那样吧。

共源极其实可以理解为输入电压通过一个跨导来产生一个和电流源负载相同的 ...

谢谢你的解答！
“作为运放运用时，输出共模点很重要，但是当做一个比较器，输出共模点其实无所谓了。”
运放的输出共模点很重要，是因为输出要和输入短接；比较器输出共模点无所谓，是因为输出无需短接输入，是这个道理吗？

但是做比较器用的时候，我们是不是 希望当VIN+和VIN-输入均为VREF附近的时候，第二级能够在饱和区，来实现高的AC增益和高的分辨率？ （比如在输入给两个500mV的DC，此时的开环增益为80dB，那意味着这个比较器在500mV附近有较高的分辨率。）
如果输出共模点无所谓，那第二级的增益无法保证了，这时候如果输出共模点导致放大管or电流源进线性，那么增益肯定就掉了。

我想 您的意思应该是“只要第二级处于饱和，输出共模电压是200、300or 400区别并不大”吧？、

非常感谢！和你的交流受益匪浅