五管放大器设计优质报告.docx
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五管放大器设计优质报告
简单差分放大器设计汇报
简单差分放大器设计汇报
摘要
作为一般单端输入放大器推广差分放大器用于处理两个输入信号差值，而和输入信号绝对值无关，其把两个输入信号差值以一个固定增益进行放大，通常作为功率放大器和发射极耦合逻辑电路输入级使用。
两个参数完全相同晶体管以直接耦合方法组成放大器，若两个输入端输入大小相位完全相同信号电压，则放大器输出为零，能够经过这一特点来抑制零点漂移，使放大器用作于直流放大器。
在集成电路中，差分放大器可用于去除两个信号源中不需要共模信号，仅放大差分信号，可有效抑制随时间改变电源电压波动、衬底电压波动、温度改变产生共模噪声。
在差分放大电路中，电流镜能够正确复制电流而不被工艺和温度影响，所以差分正确尾电流源用NMOS来镜像，负载电流源用PMOS来镜像，且电流镜中采取相同参数MOS管来减小边缘扩散。
MOS管沟道长度对阈值电压影响较大，所以，电流比值可经过宽度来调整，从而使整个放大电路达成最好性能。
一、设计要求
设计一个简单差分放大器（五管放大器），需知五管放大器结构简单，但增益小，通常增益在50dB以下，其基础电路图以下：
图1-1差分放大器电路图
其仿真系统中电路图可设计以下：
图1-2电路原理图
电路性能参数要求以下：
性能
参数
工艺
0.35umMOS工艺
电源电压
3.3V
增益
45dB
单位增益带宽
100MHz
输出摆率
200V/us
负载电容
5pF
功耗、面积尽可能小
二、设计原理
2.1MOS管工艺参数
基于0.35umMOS工艺，查看model文件可知设计差分放大器电路所需MOS管关键参数：
NMOS管参数
NMOS管
参数
迁移率
463.674
栅氧厚度
7.46
阈值电压
0.6027
PMOS管参数
PMOS管
参数
迁移率
170.9075
栅氧厚度
7.46
阈值电压
-0.8427
2.2相关计算公式
2.2.1电流
（1）已知电流公式：
其中为单位面积栅氧化层电容，为过驱动电压。
且已知：
其中二氧化硅介电系数约为3.453。
（2）以输出摆率求总电流
因输出摆率，且设计要求输出摆率为200V/us，负载电容为5pF则：
由此计算得出总电流为。
2.2.2跨导
（1）跨导公式以下：
（2）以带宽求跨导
因带宽，且设计要求单位增益带宽为100MHz则：
由此计算得出输入管跨导3.14。
2.2.3电阻
电阻可经过以下公式计算：
2.2.4电导和增益
因放大倍数满足
其中电压放大倍数和增益之间换算公式为：
由前面设计要求可知为45，则
由此计算得出电导为17.7。
2.3确定MOS管尺寸
因本设计基于0.35umMOS工艺，则MOS管沟道最小长度可至0.35um。
考虑到短沟效应和器件匹配性等实际情况，模拟电路通常不使用最小尺寸，这里综合衡量各方面原因，本设计中差分放大器MOS管沟道长度设为2um较为理想。
为了使差分放大器输入电压含有较大范围，需要限制其尾管M3（NMOS管）过驱动电压，可设其不超出350mV。
已知总电流
则推导得
即
其中，因为电路中尾管为NMOS管，则迁移率u取463.674，则最终计算结果如上，电路中NMOS管沟道宽度大于152um。
不得不顾虑输出电压范围，负载管M4、M5（PMOS管）过驱动电压一样不应该太大，可设其不超出600mV，且单个负载管电流为尾管电流即总电流二分之一，即0.5mA，则：
其中，因为电路中负载管为PMOS管，则迁移率u取170.9075，则最终计算结果如上，电路中NMOS管沟道宽度大于70um。
输入管M1、M2（NMOS管）沟道宽度关键考虑跨导，则由以下公式推导计算可得：
其中，因为电路中输入管为NMOS管，则迁移率u取463.674，则最终计算结果如上，电路中NMOS管沟道宽度大于91um。
综合各个方面考虑，本设计中以NMOS管M1、M2、M3三管宽W取160um，长L取2um，PMOS管M4、M5两管宽W取100um，长L取2um为设定MOS管宽长比，进行后续工作。
三、电路仿真
3.1差分放大器仿真电路图
从上一节中知道，设计中所用MOS管能够设置以下参数：
M1、M2
输入管
NMOS
W:
160um
L:
2um
M3
尾管
NMOS
W:
160um
L:
2um
M4、M5
负载管
PMOS
W:
100um
L:
2um
试验过程用以下电路图对所设计差分放大器进行仿真，分析其静态工作和动态输出性能。
其中电源电压设置为3.3V，输入管M1、M2分别接1.65V直流电压源vdc，使电路能够正常工作，再给M1一个1V交流振幅，方便分析电路交流特征。
负载管M4、M5以对称形式存在，衬底接高电位即电源电压。
为尾管M3设置镜像管M6，组成镜像电流源，并在其上加一个电流源idc，赋值1mA。
最终在输出端接设计要求5pF负载电容，组成完整仿真电路。
图3-1电路仿真图
3.2差分放大电路静态仿真
图3-2中每个MOS管两侧均标有其静态仿真结果，包含电路中各节点电压和MOS管静态工作点。
图3-2电路器件静态工作参数
以输入管M1为例，列出其全部静态工作参数以下图3-3。
则：
所以，NMOS管工作在饱和区。
其中为3.32378ms，和前面计算得出跨导3.14ms相差不多，已基础达成设计要求，其计算后误差约为5.85%。
图3-3M1静态工作参数
图3-4M4静态工作参数
以负载管M4为例，列出其全部静态工作参数如上图3-4。
所以，PMOS管工作在饱和区。
其中为10.1022us，且图3-3中为7.82519us，则和前面计算得出电导17.7us相近，已基础达成设计要求，其计算后误差约为5.85%。
3.3差分放大电路动态仿真
下列图中数据是差分放大电路在交流电压下仿真结果，图3-4中是输出端振幅和相位随频率改变而改变图像。
下方曲线表示差分放大电路中相位随频率改变而改变，不过存在相位失真，这是因为放大器对输入信号不一样频率分量滞后时间不相等造成波形失真。
图3-5电路增益
我们关键应用图3-4中振幅随频率改变曲线，其代表了差分放大电路幅频特征，经过曲线平缓处能够测试出电路增益，图3-5中所表示，曲线平缓处即最高处A点，其值为45.3157dB，这和设计要求45dB基础相符，其误差以下：
图3-6电路带宽
图3-6中，一样，在幅频特征曲线上B点处，即为所测试单位增益带宽。
在幅度为-3dB处，其对应频率即是单位增益带宽，由图中可知其为118.796MHz，这和设计要求100MHz很靠近，其误差为：
因为单位增益带宽越大，电路适适用于输入信号频率范围越大，故而比设计带宽100Hz大试验带宽是更优。
3.4MOS管不一样宽度对比
为了观察MOS管不一样宽度对差分放大电路影响，设置以下表格进行不一样参数电路工作性能对比.其中MOS管长度一直保持2um。
组别
1
2
3
4
5
M4、M5（um）
100
80
80
100
80
M1、M2（um）
160
160
160
100
100
M3（um）
160
160
160
100
100
（ms）
3.324
3.323
3.323
2.584
2.583
（us）
17.927
17.878
17.848
16.566
16.489
增益（dB）
45.331
45.3524
45.364
43.828
43.862
带宽（MHz）
119.806
120.433
122.064
97.797
100.017
如上面表格中所表示，3组增益最大为45.364dB，带宽最宽为122.064MHz，4组增益最小为43.828dB，带宽最窄为97.797MHz。
再者，3组跨导和电导最小，最靠近理论计算值，则此比较中3组差分放大器电路性能更优。
不过，因各个数据相差不是很大，对电路性能优化不是很多，故而采取原定设计尺寸不变。
四、版图设计
MOS器件特征尺寸越来越小，对应集成电路中可用电压和信号摆幅相对减小，对于最小线宽MOS管，失配相对增加，则模拟电路工作区间减小，适用范围缩小，数字电路噪声门限相对下降，抗干扰能力下降。
所以，电路中MOS管匹配性尤为关键。
前面已经提到过，本设计中全部MOS管宽和长以下表格：
M1、M2
输入管
NMOS
W:
160um
L:
2um
M3
尾管
NMOS
W:
160um
L:
2um
M4、M5
负载管
PMOS
W:
100um
L:
2um
这一表格中宽长，也是上一节中对不一样宽度MOS管进行仿真对比以后结果，是综合考虑各方面原因以后相对最优选择。
4.1版图设计优化
图4-1细长结构
图4-2叉指结构
图4-1中最初步版图中MOS管宽长比较大，故而加以叉指结构图4-2，避免细长结构，面积增大同时使MOS管更易匹配。
图4-3中所表示，MOS管均采取叉指结构，同时M1和M2、M3和M4满足中心对称，且器件方向一致，含有一定匹配度。
另外，图4-3还考虑了MOS管之间金属走线旅程，M1、M2、M3、M4、M5全部旋转了90度，方便M1和M2、M3和M4栅极相对，M1、M2漏极和M3、M4漏极靠近，使金属走线旅程更短，减小寄生效应。
图4-3中心对称匹配
M1、M2是差分放大器输入管，中心对称满足不了输入管匹配度，所以深入选择图4-4中四方交叉匹配，其匹配性愈加好。
图4-3中仍然存在着地线过窄问题，总电流需要经过地线流过尾管M3，则地线过窄存在隐患，不尽合理，需要加宽金属线，图4-5。
再者，图4-3中M1和M2管输入和输出线平行距离过长，会产生信号自反馈，影响放大器增益，这是我们不想看到。
图4-4四方交叉匹配
图4-5版图最终版
图4-5是版图布局优化最终版本，不仅实现了输入管M1和M2四方交叉匹配，而且将尾管M3拆分成两个相同叉指结构MOS管，实现M3交叉匹配。
重新布局后加宽了金属走线，满足漏极电流需求，并经过MOS管摆放方向选转，实现了输入管栅极连接和漏极连接交叉匹配，确保了电流方向一致性，更处理了图4-3中缺乏阱接触和衬底接触问题。
图4-5中阱接触和衬底接触降低了阱和衬底电阻值，同时使阱接触尽可能连接靠近VDD，衬底接触尽可能连接靠近GND，相对增大NMOS管和PMOS管间距离，有利于减小闩锁效应对电路影响。
4.2版图绘制
图4-6为candence系统下绘制版图，其中NMOS和PMOS叉指结构器件源自器件库chrt035sg_rf,其它MOS管间连线，电位VDD、GND均利用版图绘制系统中rectangle、polygon和path画出。
尤其地，保护环guardRing需要分出衬底接触PguardRing和WellguardRing阱接触。
因为NMOS管宽长比，PMOS管宽长比为，则其叉指结构参数以下表：
Name
ModelName
TotalWidth
FingerWidth
Length
NumberofFingers
Multipliter
M1、M1b、M2、M2b、M3、M3b
nmos_3p3
80um
10um
2um
8
1
M4、M5
pmos_3p3
100um
12.5um
2um
8
1
绘制图4-6时，关键采取坐标方法，使版图趋于绝对对称，愈加好
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