模电设计-电流镜负载的差分放大器

1、模拟集成电路课程设计报告电流镜负载的差分放大器摘要:差分放大器是最重要的电路发明之一，它可以追溯到真空管时 代。有于差动放大具有很多有用的特性， 像对差模输入信号的放大作 用和对共模输入信号的抑制作用， 所以它已经成为当代高性能模拟电 路和混合信号电路的主要选择。 电流源在差分放大器中广泛应用， 电 流源起一个大电阻的作用， 但不消耗过多的电压余度。 在模拟电路中， 电流源的设计是基于对基准电流的“复制” ，稳定的基准电流则由一 个相对复杂的电路来产生。 在电流镜中，只需调整 MOS 管的 W/L 就 能获得不同的、精确的复制电流。在本课程设计中，将根据典型电流 镜负载差动对中，增益、带宽与

2、MOS 管 W/L 之间的关系，获得满足 要求的放大器。一 .设计目标 二单个 MOS 管的的特性2.1 、NMOS 特性仿真 - 1 - - 2 - - 2 -2.2 、PMOS 特性仿真 - 4 -三电路设计与参数推导 - 6 -3.1 电路设计： - 6 -3.2手工推导参数 - 7 -四差分放大器仿真 - 9 -4.1、HSPICE 仿真： - 9 -4.2、器件参数修改 - 10 -4.3 仿真波形 - 12 -4.2、共模电平的范围： - 13 -4.3 数据对比 - 16 -五.总结 - 17 -一.设计目标 设计一款差分放大器，要求满足性能指标： 负载电容 CL 1pFVDD

3、5V对管的 m 取 4 的倍数低频开环增益 >100GBW（ 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：- 1 -单个 MOS 管的的特性MOS 管是金属 (metal)氧化物 (oxid) 半导体 (semiconductor)你场效应晶体管，或者称是金属绝缘体 (insulator)半导体。 MOS 管 的 source和 drain 是可以对调的，他们都是在 P 型 backgate中形成的N 型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会 影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。2.1 、 NMOS 特性仿真电路图如下：H

4、SPICE 仿真 :* Project NMOS* Innoveda Wirelist Created with Version * Inifile :* Options : -h -d -n -m -z -x -c6* Levels :*.prot.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' tt.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' res.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' cap.unpr

5、otM1I1VDVB0 0 NVN L=1U W=10U M=1VBSVB01VDSVD05* DICTIONARY 1* GND = 0 .options post list .dc VDS 0 5 0.1 .op .print i1(M1I1) .END 仿真波形：仿真得出的数据：subcktelement 0:m1i1model0:nvnregionSaturatiid18.6184uibs-4.227e-22ibd-23.6496avgs1.0000vds5.0000vbs0.vth830.1150mvdsat125.6460mvod169.8850mbeta1.4749mgam ef

6、f894.5056mgm192.1882ugds1.2418ugmb72.1958ucdtot12.5800fcgtot24.0149fcstot31.6174fcbtot34.8211fcgs18.4311fcgd2.8784f参数计算：ID 21 nCox(WL )(VGS VTH)(2 1+ nVDS)IDVDS12 nCox(WL )(VGS VTH)2 n由仿真结果可以算出： n =0.0352.2 、 PMOS 特性仿真电路图如下：HSPICE 仿真：* Project PMOS* Innoveda Wirelist Created with Version * Inifile :

7、* Options : -h -d -n -m -z -x -c6* Levels :.prot.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' tt.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' res.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' capVDD NVP L=1U W=10U M=1.unprotM1I1VDS VGS VDDV1I2VGS 04V1I3VDS 05V1I4 VDD 0 5* DICT

8、IONARY 1* GND = 0.options post list.dc V1I3 0 5 0.1 *V1I2 3.5 5 0.1.op.print i1(M1I1).END仿真得出的数据：subcktelement 0:m1i1model0:nvpregionLinearid0.ibs0.ibd0.vgs-1.0000vds0.vbs0.vth-899.3391mvdsat-136.0660mvod-100.6609mbeta471.1383ugam eff384.0716mgm0.gds46.9930ugmb0.cdtot29.4825fcgtot30.8144fcstot30.346

9、3fcbtot40.6913fcgs17.7584fcgd12.8808f参数计算：1 W 2 ID 2 pCox( L )(VGS VTH )(1+ p VDS )IDVDS1 W 212 nCox(WL )(VGS VTH) p由仿真结果可以得出 p =0.0729三电路设计与参数推导3.1 电路设计：3.2 手工推导参数n 0.035，VTH 0.7231，tox 1.17 10 8， n =3.8300 10-2p 0.0729，VTH 0.906，tox 1.2 10 8， n =2.433424 10-2 由库文件可以得到上述除了 n、p 外的器件参数， n、 p 可以由 mos

10、管的仿真得到。0 si 3Cox 0 si =2.95 10 3 ox tox由性能指标低频开环增益 >100，GBW（ 增益带宽积 ），CL=1pf 可AV gm (ro2 / / ro4) 100BW3dB12 (ro2/ /ro 4)C LGBWgm 30 1062 CL求得 gm2 2 CL 30 106 1.8849 10 4我们设计中取 gm2 3 10 4。ro2 / /ro411( np)I D 0.1079IDBW3dB2 (ro2/ ro4)C LGBW 30 1040.1079ID 2 CL 30 10 4 17.469 10 6AAV gm(ro2/ro4) gm

11、2100另一方面 ( np)I D求得 ID 27.8 10 6A。17.469mA I D 27.8mA 。因此 ID 可取的范围为所以我们取单边电流 ID=25mA 。忽略沟长调制效应，gm2W Wgm222 nCoxI Dn ox D L L 2 nCoxI DW 15.931 求得 L 15.931这里我们取 L(W)1 2 16下一步应该确定 M3 ，M4，M5，M6 的宽长比。由 ID 2 Cox L (VGS VTH) (1 VDS)可得2IDL Cox(V GS VTH )2(1 VDS)Cox (VGS VTH )2W 2ID 2I D取负载管 M3，M4 的过驱动电压WVo

12、d=300mV 可得 ( L )3 4 7.739这里我们取 L(W)34同理取电流源管M5， M6 的过驱动电压 Vod=500mV 可得3 4 3.540这里我们取 (WL )5 6AV gm(ro2/ /ro4) 2 nCoxID WL ( n p)IDA 30 10 6理论开环增益 :AV 30 106 111.214 1000.1079 25 10 63 10 4gmGBW m 9 47.746M理论单位增益带宽 :2 CL 2 10 9理论共模输入电最小VincomMINVGS1 Vod6 0.7231 0.2 0.5 1.4231理论共模输入电最大VincomMAX 5V VGS

13、3 VTH1 5 (0.906 0.3) 0.7231 4.5171理论共模输入电平范围最大值为 V=4.5171-1.4231=3.0940V四差分放大器仿真电流源负载的差分放大器整体电路图：4.1、 HSPICE 仿真：* Project DC_NMOS* Innoveda Wirelist Created with Version * Inifile :* Options : -h -d -n -m -z -x -c6* Levels :.prot.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' tt.lib 'D:ePD

14、05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' res.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' cap.unprot cout vout 0 1pfM3 M3dg-M4g-M1d M3dg-M4g-M1d vdd vddNVP L=1U W=8U M=1M4vout M3dg-M4g-M1d vdd vddNVP L=1U W=8U M=1M1 M3dg-M4g-M1d in1 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=1sM2vout in2 M1s-M2s-M6d 0NVN

15、L=1U W=16U M=1M6M1s-M2s-M6d M6g-M5dg 00 NVN L=1U W=4U M=1M5 M6g-M5dg M6g-M5dg 0 0 NVN L=1U W=4U M=1V1 vdd 0 5VI1 0 M6g-M5dg DC=50uAVin1 in2 0 2.5V ac=0.5vVin2 in1 0 2.5V ac=0.5v 180 * DICTIONARY 1* GND = 0 .OPTIONS PROBE.OP.dc V1 0 5 0.1.ac dec 10 1k 100meg .options list node post .print ac vdb(vout

16、) .end4.2、器件参数修改 仿真后波形图如图所示：发现波形锁呈现出来的增益带宽积为43.1M ，已经达到题目的要求， 但是低频开环增益为 39.6db 左右，即放大倍数小于 100 倍，达不到题目要求，所以尝试加大 M1,M2 的 M 值， 因为题目要求对管的 m 为 4 的倍数，所以各自增大到 4.修改后的 hspice 仿真如下：* Project DC_NMOS- 10 -* Innoveda Wirelist Created with Version * Inifile :* Options : -h -d -n -m -z -x -c6* Levels :.prot.lib &

17、#39;D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' tt.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' res.lib 'D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib' cap.unprotcout vout 0 1pfM=1M=4M3 M3dg-M4g-M1d M3dg-M4g-M1d vdd vddNVP L=1U W=8UM4vout M3dg-M4g-M1d vdd vdd NVP L=1U W=8U M=1M1 M3dg-M4g-M1

18、d in1 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16UM2 vout in2 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=4M6M1s-M2s-M6d M6g-M5dg 00 NVN L=1U W=4U M=1M5 M6g-M5dg M6g-M5dg 0 0NVN L=1U W=4U M=1V1 vdd 0 5VI1 0 M6g-M5dg DC=50uAVin1 in2 0 2.5V ac=0.5vVin2 in1 0 2.5V ac=0.5v 180 * DICTIONARY 1* GND = 0 .OPTIONS PROBE.OP.dc V1 0 5 0.1

19、.ac dec 10 1k 100meg .options list node post .print ac vdb(vout) .end- 11 -4.3 仿真波形图中明显能看出放大器的单位增益带宽超过 42db 即放大倍数有 125.89，同 时带宽也增大了，增大为 59.1M ，明显已经满足设计中的带宽和增益的要求。仿真的.lis 文件部分数据如下：tnom= 25.000 temp= 25.000* project dc_nmos * ac analysisxfreq1.00000k1.25893k1.58489k1.99526k2.51189k3.16228k3.98107k5.01

20、187k6.30957k7.94328k10.00000k12.58925k15.84893k19.95262k25.11886kvolt db vout 42.3343 42.334342.334242.334242.3342 42.3341 42.3340 42.3338 42.3335 42.3331 42.3324 42.3312 42.3295 42.3266 42.3222- 12 -31.62278k42.315139.81072k42.303950.11872k42.286263.09573k42.258379.43282k42.2144100.00000k42.1458125

21、.89254k42.0392158.48932k41.8754199.52623k41.6279251.18864k41.2625316.22777k40.7397398.10717k40.0218501.18723k39.0824630.95734k37.9154794.32823k36.53731.00000x34.98101.25893x33.28621.58489x31.49041.99526x29.62422.51189x27.71073.16228x25.76583.98107x23.80065.01187x21.82196.30957x19.83427.94328x17.8402

22、10.00000x15.841212.58925x13.837215.84893x11.827519.95262x9.810125.11886x7.781331.62278x5.735639.81072x3.664350.11872x1.554863.09573x-609.6717m79.43282x-2.8499100.00000x-5.18714.4、共模电平的范围：则在上面的 hspice 语言中最后的修改如下： .OPTIONS PROBE.OP*.dc Vin1 0 5 0.1*.print ac vM(vout).print i1(M3)- 13 -.options list no

23、de post.END出来的 波形如下：Vincom=Vgsm1+Vdsm6=1.6V 时仿真得到的数据可以看出当输入共模电平达到 1.6V 时所有的 MOS 管已处于饱和状态。输 出电流基本比较接近 25mA 了。 以下数据是当共模输入电平为 * mosfets subcktelement0:m30:m40:m10:m20:m60:m5model0:nvp0:nvp0:nvn0:nvn0:nvn0:nvnregionSaturatiSaturati Saturati Saturati Saturati Saturatiid-23.3008u-23.3008u23.3008u23.3008u4

24、6.6016u50.0000uibs1.185e-211.185e-21-16.2402a -16.2402a -1.058e-21 -1.135e-21ibd4.6881a4.6881a -113.8455a -113.8455a -1.0139a -2.5571avgs-1.2392-1.23921.06351.06351.35211.3521vds-1.2392-1.23923.22433.2243536.4570m1.3521vbs0.0.-536.4570m -536.4570m0.0.vth-898.4776m -898.4776m1.02021.0202840.6927m839.

25、6145mvdsat-325.6130m -325.6130m71.2561m71.2561m310.9569m311.4916mvod-340.7521m-340.7521m43.3089m43.3089m511.4315m 512.5097mbeta359.5878u359.5878u9.5044m9.5044m576.1957u576.2126ugam eff384.0653m384.0653m908.7034m908.7034m894.5198m 894.5210mgm119.6053u119.6053u402.3115u402.3115u159.6314u174.0003ugds2.

26、0864u2.0864u990.6995n990.6995n8.9999u2.0796ugmb29.2127u29.2127u120.0342u120.0342u56.6258u61.4295ucdtot11.5100f11.5100f83.0119f83.0119f7.0004f6.2662fcgtot20.3759f20.3759f131.8157f 131.8157f9.6359f9.6096fcstot26.4459f26.4459f163.4455f 163.4455f 13.1528f 13.1500f- 14 -cbtot28.1764f28.1764f199.0483f199.

27、0483f16.2186f15.5264fcgs17.7019f17.7019f91.4478f91.4478f7.7484f7.7420fcgd1.6795f1.6795f18.1567f18.1567f1.0386f1.0019fVincom=Vgsm1+Vdsm6=5V 时仿真得到数据：以下数据时当共模输入电平为M1 ，M2 的* mosfetssubcktelement0:m30:m40:m10:m20:m60:m5model0:nvp0:nvp0:nvn0:nvn0:nvn0:nvnregionSaturatiSaturati Saturati Saturati Saturati S

28、aturatiid-26.0692u-26.0692u26.0692u26.0692u52.1384u50.0000uibs1.326e-211.326e-21-24.5995a -24.5995a -1.184e-21 -1.135e-21ibd4.7720a4.7720a-28.2928a-28.2928a-6.1486a-2.5571avgs-1.2614-1.26141.74961.74961.35211.3521vds-1.2614-1.2614488.1626m488.1626m3.25041.3521vbs0.0.-3.2504-3.25040.0.vth-898.4814m -

29、898.4814m1.60661.6066837.0766m839.6145mvdsat-343.1824m -343.1824m144.8909m144.8909m312.7809m311.4916mvod-362.9668m -362.9668m142.9751m142.9751m515.0476m 512.5097mbeta358.2060u358.2060u2.3586m2.3586m576.2513u576.2126ugam eff384.0646m384.0646m955.8307m955.8307m894.5218m 894.5210mgm125.7337u125.7337u28

30、9.6421u289.6421u180.5302u174.0003ugds2.2816u2.2816u4.1017u4.1017u764.2799n2.0796ugmb30.7391u30.7391u45.7557u45.7557u63.5969u61.4295ucdtot11.4719f11.4719f20.1149f20.1149f5.6403f6.2662fcgtot20.3750f20.3750f35.3235f35.3235f9.7477f9.6096fcstot26.4458f26.4458f37.8057f37.8057f13.1491f 13.1500fcbtot28.1257

31、f28.1257f40.1024f40.1024f14.7630f 15.5264fcgs17.7131f17.7131f28.2358f28.2358f7.7386f7.7420fcgd1.6796f1.6796f3.8744f3.8744f1.1407f1.0019f以由以上数据我们可以得出实际仿真出输入共模电平范围为V=5-1.6=3.4VVTH=1.0202 ，当共模电平增大时， VTH 也随之增大，直到 5V，此时的阈值电压增大到 VTH=1.6066V ，并且 Vds6 从这个值比理论计算出来的值大，这是由于实际中我们忽略了放大管 衬偏效应。实际上可以看出在 Vin=1.6V 时， M1 ，M2 管已经存在衬偏效应，此 时放大管的阈值电压 输入共模电平增大到536.4570mV 增大到 3.2504V。从而导致即使输入共模电平增大到 5V，负载管仍 没有进入线性区。一下数据是仿真得到功耗：* voltage sourcessubcktelement0:v10:vin1volts5.00002.5000current-49.7605u0.- 15 -power 248.8025u 0.total voltage source power dissipation= 248.8