电流镜负载的差分放大器设计.docx

电流镜负载的差分放大器设计时间：2021.02.04 | 创作：欧阳育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） 2二、 相关背景知识 31、单个MOSTFET的主要参数包括： 3三、 设计过程 41、 电路结构 42、 主要电路参数的手工推导 43、 参数验证（手工推导） 6四、 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 93、 最小共模输入电压仿真 114、 电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 13五、 性能指标对比 17六、 心得 17一、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C 1 pFL•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：r — 1 r r 1o 2 = ds 2 =人［ o 4 = ds 4 =人 /—区）Gds 二入 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：■负载电容C^ =1 pF■低频开环增益＞100GBW （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G8W =务，得;L>40 X106 得；2兀CL"2x Cox2k 7gm >2.51 X10(-4又有 gm = gm 2 = 2.「E从工艺库得到：model nvn nmos :+tox= '1.17e-08+toxn'、+u0= 3.8300000e-02得：u2xCox =6.1839x 10(-4)后经仿真计算得到的u2xCox =7.8600x 10(3选取ID2=15U得:，2要使MN2和MN4同时饱和，最小井＞3.396，考虑到存在一定误差，幽选择10. kVin.CM=Vdsat2+Vth4仿真得 Vdsat2=0.552VVth4=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32.1MHz3、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.仿真得当=10的NMOS的入n=0.03581.巴=1的PMOS的入L ] [L ]p=0.01791gm2 = 2.■-K^ =4.307 x 10 (-S故增益带宽积为 GBW = 2c =68.548MHz>30MHz,L满足题目要求Ro2||Ro4二1X 2ID 2+X 4ID 4= 1.241 x 106故 Avd 2 = gm (rds 2 II 'ds 4) =534.5>100.满足要求电路仿真1、NMOS 特性^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.unprotMN1 N1N32 N1N32 0 0 NVN L=2U W=20UM=4V1I3 N1N46 0 5I1I30 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：**** mosfetssubcktelement 0:mn1model 0:nvnregion Saturatiid 1.500e-05ibs -3.406e-22ibd -3.204e-17vgs 8.466e-01vds 8.466e-01vbs 0.vth 7.805e-01vdsat 7.733e-02vod 6.606e-02beta 5.205e-03gam eff 8.945e-01gm 2.428e-04gds 5.372e-07gmb 9.836e-05cdtot 1.242e-13cgtot 3.438e-13cstot 3.494e-13 cbtot 3.953e-13cgs 2.619e-13cgd 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NMO S参数：由公式Gds二入nID得入n=0.035812、PMOS 特性^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.unprotMN1 0 0 N1N7 N1N9 NVP L=2U W=2U M = 1V1I2 N1N9 0 5I1I3 N1N9 N1N7 DC=15U* DICTIONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END静态仿真结果：**** mosfetssubcktelement 0:mn1model 0:nvpregion Saturatiid -1.500e-05ibs 2.495e-18ibd 4.729e-18vgs -2.363e+00vds -2.363e+00vbs 2.636e+00vth -1.387e+00vdsat -9.069e-01vod -9.767e-01beta 3.101e-05gam eff 3.500e-01gm 2.751e-05gds 2.687e-07gmb 4.199e-06cdtot 2.382e-15cgtot 9.145e-15cstot 7.903e-15cbtot 5.428e-15cgs 8.640e-15cgd 4.210e-16从中可得到gm=2.751e-05。

推导NMO S参数：由公式Gds二入nID得入p=0.017913、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*MN1N4N2N30NVN L=2U W=20UM=4*MN2N6N5N30NVN L=2U W=20UM=4MN1N4N2N30NVN L=2U W=20UM=4MN2N6N2N30NVN L=2U W=20UM=4MN3N1N100NVN L=2U W=2UM = 1MN4N3N100NVN L=2U W=2UM = 1MP1N4N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1MP2N6N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1*VP N2 0 DC=2 AC=1V 180IREF N7 N1 DC=30UVDD N7 0 5VC1 N6 0 1P*VN N5 0 DC=2 AC=1VVN 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大.print VDB(N6)。