电流镜负载的差分放大器设计.docx
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电流镜负载的差分放大器设计
电流镜负载的差分放大器设计
摘要
在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。
而且，工作在饱和区的MOS器件可以当作一个电流源。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。
但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。
一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。
而电流镜的作用就是精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。
在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。
电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。
而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。
因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。
而本题就是利用这一原理来实现的。
一、设计目标（题目）3
二、相关背景知识4
1、单个MOSTFET的主要参数包括：
4
三、设计过程5
1、电路结构5
2、主要电路参数的手工推导6
3、参数验证（手工推导）7
四、电路仿真7
1、NMOS特性仿真及参数推导7
2、PMOS特性仿真及参数推导10
3、最小共模输入电压仿真13
4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导15
五、性能指标对比18
六、心得18
一、设计目标（题目）
电流镜负载的差分放大器
设计一款差分放大器，要求满足性能指标：
●负载电容
●
●对管的m取4的倍数
●低频开环增益>100
●GBW（增益带宽积）>30MHz
●输入共模范围>3V
●功耗、面积尽量小
参考电路图如下图所示
设计步骤：
1、仿真单个MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信号输出电阻和跨导。
2、根据上述仿真得到的器件特性，推导上述电路中的器件参数。
3、手工推导上述尺寸下的差分级放大器的直流工作点、小信号增益、带宽、输入共模范围。
4、如果增益和带宽不符合题目要求，则修改器件参数，并重复上述计算过程。
5、一旦计算结果达到题目要求，用Hspice仿真验证上述指标。
如果仿真得到的增益和带宽不符合要求，则返回步骤2，直至符合要求
二、相关背景知识
传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。
如下图所示。
1、单个MOSTFET的主要参数包括：
1.直流参数：
开启电压Vt，即当Vds为某一固定值使Id等于一微小电流时，栅源间的电压。
2.交流小信号参数：
PMOS、NMOS的栅跨导gm：
gm越大，说明器件的放大能力越强，可以通过设计宽长比大的图形结构来提高跨导。
小信号电阻r0：
r0说明了Vds对Id的影响，是输出特性在某一点上切线斜率的倒数。
3.相关公式：
电流公式：
MOS管等效电阻公式：
（饱和区）
Gds=λnID
电压增益：
增益带宽积：
三、设计过程
1、电路结构
整体电路如上图。
2、主要电路参数的手工推导
根据题目要求：
⏹负载电容
⏹低频开环增益>100
⏹GBW（增益带宽积）>30MHz
因以上公式不考虑沟道长度调制效应和体效应，所以理论计算和实际值会有一定误差，因此在此将增益带宽积提升为40MHz。
由
，得；
>40
得；
>2.51
又有
=
（
）
从工艺库得到：
modelnvnnmos：
+tox='1.17e-08+toxn'、+u0=3.8300000e-02
得：
=6.1839
后经仿真计算得到的
=7.8600
选取ID2=15U得：
>3.396，考虑到存在一定误差，
选择10.
要使MN2和MN4同时饱和，最小Vin.CM=Vdsat2+Vth4。
仿真得Vdsat2=0.552V。
Vth4=0.780V.得最小输入共模电压Vin.CM=1.332V.
仿真得Vin.CM=4.5V时，增益为45db，增益带宽积为53MHz.仍满足要求。
得输入共模范围大于：
4.5-1.332=3.168V>3V
事实上当MN2和MN4没有同时饱和也能达到增益和带宽要求，输入共模电压Vin.CM=1.1V时，ID4=16.6u，增益为58.3db，增益带宽积为32.1MHz。
3、参数验证（手工推导）
根据上节的电路器件尺寸，通过手工推导出电路要求设计的各项指标。
并将计算出来的指标与要求进行对比。
如果实际电路未能达到设计要求，则还需返回上一节的计算和推动过程，直至所设计电路符合题目要求。
为了减小面积并增大增益，PMOS的宽长比选取为1.
仿真得
=10的NMOS的λn=0.03581.
=1的PMOS的λp=0.01791
=4.307
.
故增益带宽积为
=68.548MHz>30MHz，满足题目要求。
Ro2||Ro4=
=1.241
106
故
=534.5>100.满足要求。
四、电路仿真
1、NMOS特性仿真及参数推导
单个NMOS管以二极管形式连接，如图，其中电流I=15u，W=20U，L=2U,VDD=5V.
仿真网表：
.prot
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
MN1N1N32N1N3200NVNL=2UW=20UM=4
V1I3N1N4605
I1I30N1N46N1N32DC=15U
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionslistnodepost
.op
.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2
.END
静态仿真结果：
****mosfets
subckt
element0:
mn1
model0:
nvn
regionSaturati
id1.500e-05
ibs-3.406e-22
ibd-3.204e-17
vgs8.466e-01
vds8.466e-01
vbs0.
vth7.805e-01
vdsat7.733e-02
vod6.606e-02
beta5.205e-03
gameff8.945e-01
gm2.428e-04
gds5.372e-07
gmb9.836e-05
cdtot1.242e-13
cgtot3.438e-13
cstot3.494e-13
cbtot3.953e-13
cgs2.619e-13
cgd1.993e-14
从中可得到gm=2.428e-04，和手工推导得到的有一定误差。
推导NMOS参数：
由公式Gds=λnID。
得λn=0.03581。
2、PMOS特性仿真及参数推导
单个PMOS管以二极管形式连接，如图，其中电流I=15u，W=2U，L=2U,VDD=5V.
仿真网表：
.prot
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
MN100N1N7N1N9NVPL=2UW=2UM=1
V1I2N1N905
I1I3N1N9N1N7DC=15U
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionslistnodepost
.op
.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2
.END
静态仿真结果：
****mosfets
subckt
element0:
mn1
model0:
nvp
regionSaturati
id-1.500e-05
ibs2.495e-18
ibd4.729e-18
vgs-2.363e+00
vds-2.363e+00
vbs2.636e+00
vth-1.387e+00
vdsat-9.069e-01
vod-9.767e-01
beta3.101e-05
gameff3.500e-01
gm2.751e-05
gds2.687e-07
gmb4.199e-06
cdtot2.382e-15
cgtot9.145e-15
cstot7.903e-15
cbtot5.428e-15
cgs8.640e-15
cgd4.210e-16
从中可得到gm=2.751e-05。
推导NMOS参数：
由公式Gds=λnID。
得λp=0.01791。
3、最小共模输入电压仿真
电路图：
仿真网表：
.prot
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
*MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4
*MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4
MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4
MN2N6N2N30NVNL=2UW=20UM=4
MN3N1N100NVNL=2UW=2UM=1
MN4N3N100NVNL=2UW=2UM=1
MP1N4N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1
MP2N6N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1
*VPN20DC=2AC=1V180
IREFN7N1DC=30U
VDDN705V
C1N601P
*VNN50DC=2AC=1V
VNN205
.dcVN050.1
*DICTIONARY8
*1=N1
*2=N2
*3=N3
*4=N4
*5=N5
*6=N6
*7=N7
*GND=0
*.optionsprobe
*.ACDEC40100100MEG
.op
*.printVDB（N6）
.printI1（MN2）
.END
波形图：
从图中可以看出使MN2和MN4同时饱和的最小输入共模电压Vin.CM=1.4V。
这是由于体效应导致Vth提高而引起的。
4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导
整体电路如下图：
仿真网表：
*ProjectSCH1
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4
MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4
MN3N1N100NVNL=2UW=2UM=1
MN4N3N100NVNL=2UW=2UM=1
MP1N4N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1
MP2N6N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1
VPN20DC=2AC=1V180
IREFN7N1DC=30U
VDDN705V
C1N601P
VNN50DC=2AC=1V
*DICTIONARY8
*1=N1
*2=N2
*3=N3
*4=N4
*5=N5
*6=N6
*7=N7
*GND=0
.optionsprobe
.ACDEC40100100MEG
.op
.printVDB（N6）
.END
仿真参数：
****mosfets
subckt
element0:
mn10:
mn20:
mn30:
mn40:
mp10:
mp2
model0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvp0:
nvp
regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id14.9973u14.9973u30.0000u29.9946u-14.9973u-14.9973u
ibs-62.7640a-62.7640a-6.811e-22-6.810e-227.626e-227.626e-22
ibd-118.4675a-118.4675a-1.5784a-1.5684a1.7675a1.7675a
vgs1.34131.34131.66921.6692-1.8692-1.8692
vds1.47211.47211.66921.6587-1.8692-1.8692
vbs-1.6587-1.65870.0.0.0.
vth1.29251.2925794.5766m794.5766m-918.3170m-918.3170m
vdsat86.2818m86.2818m552.1671m552.1672m-789.0672m-789.0672m
vod48.8124m48.8124m874.6499m874.6499m-950.9270m-950.9270m
beta5.2105m5.2105m120.4712u120.4712u36.7421u36.7421u
gameff931.2989m931.2989m894.5246m894.5246m384.0554m384.0554m
gm258.9827u258.9827u63.4382u63.4239u28.2039u28.2039u
gds309.2459n309.2459n507.9654n514.2709n374.3018n374.3018n
gmb60.6327u60.6327u22.3853u22.3807u7.0591u7.0591u
cdtot104.0761f104.0761f3.2886f3.2907f2.9936f2.9936f
cgtot311.6988f311.6988f9.6670f9.6662f9.5160f9.5160f
cstot281.7321f281.7321f10.4530f10.4531f10.0473f10.0473f
cbtot279.6288f279.6288f10.3382f10.3411f8.5988f8.5988f
cgs243.5613f243.5613f8.4651f8.4651f8.9649f8.9649f
cgd20.4390f20.4390f507.8724a507.0131a422.0242a422.0242a
幅频特性曲线：
由图中可以看出：
增益为58.4db，3db带宽为90.9KHz，增益带宽积为49.8MHz。
五、性能指标对比
开环增益
GBW
ID
W/L
题目要求
>100
>30MHz
理论值
534.50
68.548MHz
15u（单边）
10（对管）
1（其它）
仿真值
831.76
49.800MHz
六、心得
本次的课程设计让我收获甚多。
由于之前有个比赛要参加，所以因赶进度，耽误了本次课程设计。
直到比赛完后才开始本次的课程设计，但那时别的组别都提交完了，心里感到很对不住老师。
回来后正好赶上别的组别讲解他们的设计，吸取了各队的优点，注意到该注意的地方，为接下来三天的设计打下了重要的基础。
在此要感谢各个组别。
由于听取了其它组别的讲解，刚开始就对本次的课程设计有了一定的思路。
刚开始由于之前听有个组别能做到ID=2u，对管宽长比好像为1:
4.所以我开始设定的ID为1u，后来发现由于增益带宽积限定了gm，而且
，将上面的数据代入，得到的gm远远达不到所要的数值。
为了得到较大的gm，有两个方法，一是增大宽长比，二是增大ID。
开始时为了降低功耗，想通过增大宽长比来增大gm，但通过仿真发现当宽长比达到一定数值时，gm增大变得不再明显，所以不得以将ID增大到15u，宽长比选取为10，才获得所想要的数值。
后来发现其它MOSFET对性能指标都不起作用，而且由于Ro2||Ro4=
，可以通过降低λp来提高增益，同时也为了降低面积，将其它的MOSFET宽长比选取为1:
1.
由于本次课程设计的时间较短，因此还有很多做得不足的地方。
比如由结果得仿真的gm大概只有理论计算得到的gm的一半，这在实际的设计中是很不利的，因此想对上面的公式进行修正，但由于时间有限等原因，最终没有进行修正。
不管怎样说，本次课程设计让我学到了不少知识，在此感谢老师。
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