如何仿真PSRR

电源抑制比是衡量电路性能的核心指标，其仿真精度直接关系到电源管理模块的设计成败。本文将深入剖析电源抑制比仿真的完整流程，涵盖从基础原理、仿真平台选择、模型构建到关键参数设置的十二个关键环节。文章重点探讨交流分析、噪声注入以及后处理中的技术要点，并提供针对高低频段仿真的差异化策略与常见问题解决方案，旨在为工程师提供一套系统、可操作的实践指南。

       在模拟与混合信号电路设计中，电源的纯净度往往是决定系统性能上限的隐形门槛。无论是精密的传感器前端，还是高速的数据转换器，电源网络上的任何微小扰动都可能经过电路放大，最终表现为输出端的噪声或失真。因此，如何量化并优化电路抵御电源干扰的能力，成为了每一位设计者必须掌握的技能。这其中，电源抑制比（电源抑制比）的仿真分析，便是我们洞察电路这一特性的“显微镜”。它并非一个简单的仿真设置，而是一套贯穿设计始终的系统性验证方法。本文将拆解这一过程，从理论到实践，为你呈现一份详尽的电源抑制比仿真指南。

       一、 理解电源抑制比：仿真目标的精准定义

       开始仿真之前，我们必须清晰界定仿真的对象。电源抑制比，其定义为电路输出信号的变化量与引起该变化的电源电压变化量之比，通常用分贝表示。一个高的电源抑制比值，意味着电路对电源纹波或噪声有着极强的抑制能力。在仿真中，我们关注两个核心指标：低频电源抑制比与高频电源抑制比。前者主要反映电路对电源低频波动（如工频干扰）的抑制能力，后者则揭示电路对高频噪声（如开关电源噪声）的响应。明确你需要重点考察的频率范围，是设定所有仿真参数的第一步。

       二、 仿真环境的选择：平台与模型的基石

       工欲善其事，必先利其器。进行电源抑制比仿真，主流的集成电路设计仿真工具是首选，例如由新思科技或楷登电子提供的专业仿真平台。这些工具内置的精密仿真引擎，能够处理包含复杂晶体管模型的小信号分析。比工具更重要的是模型。确保所使用的晶体管模型库（如工艺设计工具包）准确且完整，特别是其中包含的寄生参数与噪声模型，这对于高频电源抑制比仿真的真实性至关重要。一个不准确的模型，会导致仿真结果与实测值南辕北辙。

       三、 构建测试基准电路：搭建仿真的舞台

       仿真不能直接在复杂的主电路上进行。标准的做法是构建一个专用的测试基准电路。这个电路应包含待测电路本身、理想的电源（在交流分析中将其设置为小信号交流源）、必要的偏置电路以及负载。负载条件需根据待测电路的实际应用场景设定，例如阻性负载或容性负载，不同的负载会显著影响电源抑制比特性，尤其是低频段的表现。

       四、 启用交流小信号分析：核心仿真方法

       电源抑制比仿真的核心方法是交流小信号分析。在仿真工具中，你需要将主电源电压源设置为一个幅值极小的交流信号（例如1伏特振幅），同时将其直流值设定为正常的工作电压。随后，配置交流分析，扫描一个足够宽泛的频率范围，例如从10赫兹到10吉赫兹，具体范围取决于你关注的重点。分析完成后，仿真器将直接给出输出节点相对于该电源扰动的小信号响应曲线。

       五、 计算与绘制电源抑制比曲线：从数据到洞察

       仿真输出的原始数据通常是传递函数。电源抑制比的计算公式为：二十乘以以十为底的对数函数，其真数为输出电压的交流幅值与电源电压的交流幅值之比。绝大多数高级仿真工具都支持在后处理模块中直接输入这个公式，并自动生成电源抑制比随频率变化的曲线图。这张图是分析的起点，你需要观察其在整个频段内的走势、峰值与谷值。

       六、 纳入电源阻抗的现实影响：超越理想模型

       真实的电源网络存在寄生电感和电阻。在仿真中，忽略这些因素会得到过于乐观的电源抑制比结果。因此，一个更贴近实际的仿真，需要在电源引脚上串联一个小的电阻与电感，以模拟印制电路板走线或封装引脚的寄生效应。这个微小的改动，可能会让你发现电路在特定频率（通常是数十兆赫兹到数百兆赫兹）出现电源抑制比严重恶化的现象，这往往是寄生电感与片上去耦电容产生谐振所致。

       七、 噪声注入仿真法：另一种验证视角

       除了标准的交流分析法，噪声注入法也是一种有效的补充手段。该方法在电源上叠加一个具有特定频率或带宽的噪声电流源或电压源，然后进行瞬态仿真，观察输出信号的信噪比恶化程度，进而反推电源抑制比。这种方法特别适用于评估电路对非线性或大信号电源干扰的响应，可以更直观地看到调制效应等复杂现象。

       八、 区分差分与共模电源抑制比：全维度评估

       对于全差分电路（如运算放大器、模拟数字转换器），电源噪声的影响模式分为两种：共模扰动（两个电源同相变化）和差分扰动（两个电源反相变化）。因此，仿真也需要分为两部分：共模电源抑制比仿真和差分电源抑制比仿真。这需要你在测试基准中，分别设置电源的交流扰动为同相和反相模式。通常，差分电源抑制比是更关键的指标，因为它会直接转化为输出的差分误差。

       九、 评估片上与片外去耦电容的作用：关键设计变量

       去耦电容是提升电源抑制比，尤其是高频电源抑制比的最有效手段。在仿真中，你应该系统地研究去耦电容的影响。在电源与地引脚之间，分别添加不同容值（如皮法级到微法级）的电容模型，并观察电源抑制比曲线的变化。你会发现，小电容负责抑制高频噪声，大电容维持低频稳定性。仿真可以帮助你优化去耦电容的容值、数量以及等效串联电阻等参数，找到性价比最高的方案。

       十、 分析低频电源抑制比：关注电路结构与匹配

       低频电源抑制比主要取决于电路的拓扑结构和器件匹配精度。例如，在差分对或电流镜结构中，电源波动会通过器件的阈值电压、跨导等参数的不匹配性，转化为差分误差。仿真时，除了使用典型模型，还应引入蒙特卡洛分析或角分析，模拟工艺偏差下的电源抑制比变化范围。这能帮助你判断设计是否具有足够的工艺容差。

       十一、 分析高频电源抑制比：关注寄生与回路

       高频电源抑制比的恶化，通常与寄生电容和信号回流路径相关。电源噪声会通过晶体管的本征寄生电容（如栅漏电容）直接耦合到敏感信号节点。仿真时，务必开启模型中的所有寄生电容选项。同时，要仔细分析高频下的电流回路，不理想的接地或电源平面阻抗，会在仿真中表现为额外的耦合路径，导致电源抑制比在特定频率点急剧下降。

       十二、 仿真结果的后处理与验证：确保可信度

       得到初始曲线后，后处理至关重要。你需要检查仿真收敛性，确保结果稳定可靠。将电源抑制比曲线与电路的增益带宽积、相位裕度等其它交流特性曲线进行交叉分析，往往能发现内在联系。例如，当频率接近单位增益带宽时，电源抑制比通常会开始滚降。此外，可以用不同的仿真器或仿真模式（如SPICE仿真）进行交叉验证，以排除单一仿真引擎可能存在的算法误差。

       十三、 识别并解决常见的仿真陷阱

       在电源抑制比仿真中，一些常见错误会导致结果失真。例如，忽略了衬底偏置效应，对于体硅工艺的器件，其衬底电位波动会直接影响阈值电压；或者使用了过于理想化的电流源作为负载，掩盖了真实负载的非线性影响。另一个陷阱是未正确设置交流源的直流工作点，导致电路在非正常偏置下进行小信号分析。仔细检查这些设置，是获得有效结果的前提。

       十四、 结合闭环系统进行仿真：贴近应用场景

       许多电路（如低压差线性稳压器、带隙基准源）本身就是一个闭环系统。仿真其电源抑制比时，必须在完整的闭环配置下进行。此时，反馈网络的特性会极大地影响整体的电源抑制比性能。你需要仿真在不同负载电流、不同输出电压条件下的电源抑制比，评估其在整个工作区间内的稳健性。闭环稳定性与电源抑制比在此处紧密关联，需要一同考量。

       十五、 建立电源抑制比仿真与版图设计的关联

       仿真的最终目的是指导设计。高频电源抑制比的分析结果，应直接反馈到版图设计规则中。例如，仿真揭示的敏感频率点，可以指导你去耦电容在版图上的具体摆放位置和连接方式；对差分对匹配性的要求，会转化为版图中必须遵守的共同质心布局等匹配规则。将仿真洞察转化为物理设计约束，才能真正提升芯片的最终性能。

       十六、 从系统层面进行协同仿真

       在复杂的系统级芯片中，数字模块的开关噪声会通过电源地网络严重干扰敏感的模拟模块。此时，孤立地仿真模拟模块的电源抑制比已不足够。需要采用混合信号仿真或协同仿真的方法，将数字电路的开关电流模型、电源分布网络模型与模拟模块一同仿真，才能真实评估在系统级应用场景下的实际电源抑制比表现。

       十七、 利用仿真数据进行优化与迭代

       仿真不应是单向的验证，而应是优化迭代的循环。基于电源抑制比仿真结果，你可以调整电路参数，如增大关键晶体管的尺寸以改善匹配，增加 cascode（共源共栅）结构以提高输出阻抗，或优化偏置电路的设计。每一次修改后，重新运行仿真，观察曲线的改善情况，如此反复，直至满足设计指标。这个过程充分体现了仿真作为设计探索工具的价值。

       十八、 将仿真与最终测试方案对标

       一个完整的仿真流程，其终点应与测试方案衔接。在仿真阶段，就应规划好将来在实验室中如何测量电源抑制比。例如，你注入小信号交流扰动的电源引脚、测量输出的节点、设置的频率扫描范围，都应与测试方案保持一致。甚至可以在仿真中加入测试夹具和测量仪器的简化模型，提前预估测试中的潜在问题，确保硅片回来后，仿真数据与实测数据能够进行有意义的比对与复盘。

       综上所述，电源抑制比的仿真是一门融合了电路理论、仿真工具技巧与工程实践经验的综合技艺。它要求设计者不仅理解公式，更能构建贴近现实的仿真场景，洞察曲线背后的物理本质，并最终将数据转化为可靠的设计决策。通过遵循上述系统性的方法，你可以显著提升仿真结果的可信度与实用性，从而打造出对电源干扰具有强大免疫力的鲁棒性电路，为整个电子系统的稳定运行奠定坚实基础。希望这份详尽的指南，能成为你设计旅程中得力的助手。