电流镜负载的差分放大器设计

1、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

2、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41、单个MOSTFET的主要参数包括：4三、设计过程51、电路结构52、主要电路参数的手工推导63、参数验证（手工推导）7四、电路仿真71、NMOS特性仿真及参数推导72、PMOS特性仿真及参数推导103、最小共模输入电压仿真134、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：l 负载电

3、容ll 对管的m取4的倍数l 低频开环增益100l GBW(增益带宽积)30MHzl 输入共模范围3Vl 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

4、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 g m ： g m 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=nID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：n 负

5、载电容n 低频开环增益100n 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：model nvn nmos：+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

6、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=3.168V3V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

7、1.仿真得=10的NMOS的n=0.03581. =1的PMOS的p=0.01791=4.307.故增益带宽积为=68.548MHz30MHz，满足题目要求。Ro2|Ro4=1.241106故=534.5100. 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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05

8、modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1 N1N32 N1N32 0 0 NVN L=2U W=20U M=4V1I3 N1N46 0 5 I1I30 N1N46 N1N32 DC=15U * DICTIONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END静态仿真结果：* mosfets subckt element 0:mn1 model 0:nvn region Saturati id 1.500e-05 ibs -3.406e-22 ibd -3.204e-17 v

9、gs 8.466e-01 vds 8.466e-01 vbs 0. vth 7.805e-01 vdsat 7.733e-02 vod 6.606e-02 beta 5.205e-03 gam eff 8.945e-01 gm 2.428e-04 gds 5.372e-07 gmb 9.836e-05 cdtot 1.242e-13 cgtot 3.438e-13 cstot 3.494e-13 cbtot 3.953e-13 cgs 2.619e-13 cgd 1.993e-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=nID。得n=0

10、.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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1 0 0 N1N7 N1N9 NVP L=2U W=2U M=1V1I2 N1N9 0 5 I1I3 N1N9 N1N7 DC=15U * DICT

11、IONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END静态仿真结果：* mosfets subckt element 0:mn1 model 0:nvp region Saturati id -1.500e-05 ibs 2.495e-18 ibd 4.729e-18 vgs -2.363e+00 vds -2.363e+00 vbs 2.636e+00 vth -1.387e+00 vdsat -9.069e-01 vod -9.767e-01 beta 3.101e-05 gam eff 3.500e-

12、01 gm 2.751e-05 gds 2.687e-07 gmb 4.199e-06 cdtot 2.382e-15 cgtot 9.145e-15 cstot 7.903e-15 cbtot 5.428e-15 cgs 8.640e-15 cgd 4.210e-16从中可得到gm=2.751e-05。推导NMOS参数：由公式 Gds=nID。得p=0.01791。3、最小共模输入电压仿真电路图：仿真网表：.prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib r

13、es .lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprot*MN1 N4 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4*MN2 N6 N5 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN1 N4 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN2 N6 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN3 N1 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MN4 N3 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MP1 N4 N4 N7 N7 NVP L=2U W=2U M=1MP2 N6 N4 N7 N7

14、 NVP L=2U W=2U M=1*VP N2 0 DC=2 AC=1V 180IREF N7 N1 DC=30U VDD N7 0 5V C1 N6 0 1P *VN N5 0 DC=2 AC=1V VN N2 0 5.dc VN 0 5 0.1* DICTIONARY 8* 1 = N1* 2 = N2* 3 = N3* 4 = N4* 5 = N5* 6 = N6* 7 = N7* GND = 0*.options probe*.AC DEC 40 100 100MEG .op*.print VDB(N6) .print I1(MN2).END波形图：从图中可以看出使MN2和MN4同时

15、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：* Project SCH1* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5* Inifile : * Options : -h -d -n -m -z -x -c6 * Levels : * .prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:

16、viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1 N4 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN2 N6 N5 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN3 N1 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MN4 N3 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MP1 N4 N4 N7 N7 NVP L=2U W=2U M=1MP2 N6 N4 N7 N7 NVP L=2U W=2U M=1VP N2 0 DC=2 AC=1V 180IREF N7 N1 DC=30U VDD N7 0 5V C1 N6 0

17、1P VN N5 0 DC=2 AC=1V * DICTIONARY 8* 1 = N1* 2 = N2* 3 = N3* 4 = N4* 5 = N5* 6 = N6* 7 = N7* GND = 0.options probe.AC DEC 40 100 100MEG .op.print VDB(N6) .END仿真参数：* mosfets subckt element 0:mn1 0:mn2 0:mn3 0:mn4 0:mp1 0:mp2 model 0:nvn 0:nvn 0:nvn 0:nvn 0:nvp 0:nvp region Saturati Saturati Saturati

18、 Saturati Saturati Saturati id 14.9973u 14.9973u 30.0000u 29.9946u -14.9973u -14.9973u ibs -62.7640a -62.7640a -6.811e-22 -6.810e-22 7.626e-22 7.626e-22 ibd -118.4675a -118.4675a -1.5784a -1.5684a 1.7675a 1.7675a vgs 1.3413 1.3413 1.6692 1.6692 -1.8692 -1.8692 vds 1.4721 1.4721 1.6692 1.6587 -1.8692

19、 -1.8692 vbs -1.6587 -1.6587 0. 0. 0. 0. vth 1.2925 1.2925 794.5766m 794.5766m -918.3170m -918.3170m vdsat 86.2818m 86.2818m 552.1671m 552.1672m -789.0672m -789.0672m vod 48.8124m 48.8124m 874.6499m 874.6499m -950.9270m -950.9270m beta 5.2105m 5.2105m 120.4712u 120.4712u 36.7421u 36.7421u gam eff 93

20、1.2989m 931.2989m 894.5246m 894.5246m 384.0554m 384.0554m gm 258.9827u 258.9827u 63.4382u 63.4239u 28.2039u 28.2039u gds 309.2459n 309.2459n 507.9654n 514.2709n 374.3018n 374.3018n gmb 60.6327u 60.6327u 22.3853u 22.3807u 7.0591u 7.0591u cdtot 104.0761f 104.0761f 3.2886f 3.2907f 2.9936f 2.9936f cgtot

21、 311.6988f 311.6988f 9.6670f 9.6662f 9.5160f 9.5160f cstot 281.7321f 281.7321f 10.4530f 10.4531f 10.0473f 10.0473f cbtot 279.6288f 279.6288f 10.3382f 10.3411f 8.5988f 8.5988f cgs 243.5613f 243.5613f 8.4651f 8.4651f 8.9649f 8.9649f cgd 20.4390f 20.4390f 507.8724a 507.0131a 422.0242a 422.0242a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