模电设计电流镜负载差分放大器.docx
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模电设计电流镜负载差分放大器
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、带宽及MOS管W/L之间的关系，获得满足要求的放大器。
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
●
●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：
二．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：
HSPICE仿真:
*ProjectNMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
M1I1VDVB00NVNL=1UW=10UM=1
VBSVB01
VDSVD05
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionspostlist
.dcVDS050.1
.op
.printi1（M1I1）
.END
仿真波形：
仿真得出的数据：
subckt
element0:
m1i1
model0:
nvn
regionSaturati
id18.6184u
ibs-4.227e-22
ibd-23.6496a
vgs1.0000
vds5.0000
vbs0.
vth830.1150m
vdsat125.6460m
vod169.8850m
beta1.4749m
gameff894.5056m
gm192.1882u
gds1.2418u
gmb72.1958u
cdtot12.5800f
cgtot24.0149f
cstot31.6174f
cbtot34.8211f
cgs18.4311f
cgd2.8784f
参数计算：
由仿真结果可以算出：
=0.035
2.2、PMOS特性仿真
电路图如下：
HSPICE仿真：
*ProjectPMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
M1I1VDSVGSVDDVDDNVPL=1UW=10UM=1
V1I2VGS04
V1I3VDS05
V1I4VDD05
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionspostlist
.dcV1I3050.1*V1I23.550.1
.op
.printi1（M1I1）
.END
仿真得出的数据：
subckt
element0:
m1i1
model0:
nvp
regionLinear
id0.
ibs0.
ibd0.
vgs-1.0000
vds0.
vbs0.
vth-899.3391m
vdsat-136.0660m
vod-100.6609m
beta471.1383u
gameff384.0716m
gm0.
gds46.9930u
gmb0.
cdtot29.4825f
cgtot30.8144f
cstot30.3463f
cbtot40.6913f
cgs17.7584f
cgd12.8808f
参数计算：
由仿真结果可以得出
=0.0729
三．电路设计及参数推导
3.1电路设计：
3.2手工推导参数
由库文件可以得到上述除了λn、λp外的器件参数，λn、λp可以由mos管的仿真得到。
由性能指标低频开环增益>100，GBW（增益带宽积），CL=1pf可得
求得
我们设计中取
。
另一方面
求得
。
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，
求得
。
这里我们取
下一步应该确定M3，M4，M5，M6的宽长比。
由
可得
取负载管M3，M4的过驱动电压Vod=300mV可得
。
这里我们取
同理取电流源管M5，M6的过驱动电压Vod=500mV可得
。
这里我们取
理论开环增益:
理论单位增益带宽:
理论共模输入电平最小值:
理论共模输入电平最大值:
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：
*ProjectDC_NMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
coutvout01pf
M3M3dg-M4g-M1dM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M4voutM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M1M3dg-M4g-M1din1M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=1s
M2voutin2M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=1
M6M1s-M2s-M6dM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
M5M6g-M5dgM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
V1vdd05V
I10M6g-M5dgDC=50uA
Vin1in202.5Vac=0.5v
Vin2in102.5Vac=0.5v180
*DICTIONARY1
*GND=0
.OPTIONSPROBE
.OP
.dcV1050.1
.acdec101k100meg
.optionslistnodepost
.printacvdb（vout）
.end
4.2、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：
*ProjectDC_NMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
coutvout01pf
M3M3dg-M4g-M1dM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M4voutM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M1M3dg-M4g-M1din1M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=4
M2voutin2M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=4
M6M1s-M2s-M6dM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
M5M6g-M5dgM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
V1vdd05V
I10M6g-M5dgDC=50uA
Vin1in202.5Vac=0.5v
Vin2in102.5Vac=0.5v180
*DICTIONARY1
*GND=0
.OPTIONSPROBE
.OP
.dcV1050.1
.acdec101k100meg
.optionslistnodepost
.printacvdb（vout）
.end
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：
******
*projectdc_nmos
******acanalysistnom=25.000temp=25.000
******
x
freqvoltdb
vout
1.00000k42.3343
1.25893k42.3343
1.58489k42.3342
1.99526k42.3342
2.51189k42.3342
3.16228k42.3341
3.98107k42.3340
5.01187k42.3338
6.30957k42.3335
7.94328k42.3331
10.00000k42.3324
12.58925k42.3312
15.84893k42.3295
19.95262k42.3266
25.11886k42.3222
31.62278k42.3151
39.81072k42.3039
50.11872k42.2862
63.09573k42.2583
79.43282k42.2144
100.00000k42.1458
125.89254k42.0392
158.48932k41.8754
199.52623k41.6279
251.18864k41.2625
316.22777k40.7397
398.10717k40.0218
501.18723k39.0824
630.95734k37.9154
794.32823k36.5373
1.00000x34.9810
1.25893x33.2862
1.58489x31.4904
1.99526x29.6242
2.51189x27.7107
3.16228x25.7658
3.98107x23.8006
5.01187x21.8219
6.30957x19.8342
7.94328x17.8402
10.00000x15.8412
12.58925x13.8372
15.84893x11.8275
19.95262x9.8101
25.11886x7.7813
31.62278x5.7356
39.81072x3.6643
50.11872x1.5548
63.09573x-609.6717m
79.43282x-2.8499
100.00000x-5.1871
4.4、共模电平的范围：
则在上面的hspice语言中最后的修改如下：
.OPTIONSPROBE
.OP
*.dcVin1050.1
*.printacvM（vout）
.printi1（M3）
.optionslistnodepost
.END
出来的波形如下：
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Vincom=Vgsm1+Vdsm6=1.6V时仿真得到的数据
****mosfets
subckt
element0:
m30:
m40:
m10:
m20:
m60:
m5
model0:
nvp0:
nvp0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvn
regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id-23.3008u-23.3008u23.3008u23.3008u46.6016u50.0000u
ibs1.185e-211.185e-21-16.2402a-16.2402a-1.058e-21-1.135e-21
ibd4.6881a4.6881a-113.8455a-113.8455a-1.0139a-2.5571a
vgs-1.2392-1.23921.06351.06351.35211.3521
vds-1.2392-1.23923.22433.2243536.4570m1.3521
vbs0.0.-536.4570m-536.4570m0.0.
vth-898.4776m-898.4776m1.02021.0202840.6927m839.6145m
vdsat-325.6130m-325.6130m71.2561m71.2561m310.9569m311.4916m
vod-340.7521m-340.7521m43.3089m43.3089m511.4315m512.5097m
beta359.5878u359.5878u9.5044m9.5044m576.1957u576.2126u
gameff384.0653m384.0653m908.7034m908.7034m894.5198m894.5210m
gm119.6053u119.6053u402.3115u402.3115u159.6314u174.0003u
gds2.0864u2.0864u990.6995n990.6995n8.9999u2.0796u
gmb29.2127u29.2127u120.0342u120.0342u56.6258u61.4295u
cdtot11.5100f11.5100f83.0119f83.0119f7.0004f6.2662f
cgtot20.3759f20.3759f131.8157f131.8157f9.6359f9.6096f
cstot26.4459f26.4459f163.4455f163.4455f13.1528f13.1500f
cbtot28.1764f28.1764f199.0483f199.0483f16.2186f15.5264f
cgs17.7019f17.7019f91.4478f91.4478f7.7484f7.7420f
cgd1.6795f1.6795f18.1567f18.1567f1.0386f1.0019f
以下数据时当共模输入电平为Vincom=Vgsm1+Vdsm6=5V时仿真得到数据：
****mosfets
subckt
element0:
m30:
m40:
m10:
m20:
m60:
m5
model0:
nvp0:
nvp0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvn
regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id-26.0692u-26.0692u26.0692u26.0692u52.1384u50.0000u
ibs1.326e-211.326e-21-24.5995a-24.5995a-1.184e-21-1.135e-21
ibd4.7720a4.7720a-28.2928a-28.2928a-6.1486a-2.5571a
vgs-1.2614-1.26141.74961.74961.35211.3521
vds-1.2614-1.2614488.1626m488.1626m3.25041.3521
vbs0.0.-3.2504-3.25040.0.
vth-898.4814m-898.4814m1.60661.6066837.0766m839.6145m
vdsat-343.1824m-343.1824m144.8909m144.8909m312.7809m311.4916m
vod-362.9668m-362.9668m142.9751m142.9751m515.0476m512.5097m
beta358.2060u358.2060u2.3586m2.3586m576.2513u576.2126u
gameff384.0646m384.0646m955.8307m955.8307m894.5218m894.5210m
gm125.7337u125.7337u289.6421u289.6421u180.5302u174.0003u
gds2.2816u2.2816u4.1017u4.1017u764.2799n2.0796u
gmb30.7391u30.7391u45.7557u45.7557u63.5969u61.4295u
cdtot11.4719f11.4719f20.1149f20.1149f5.6403f6.2662f
cgtot20.3750f20.3750f35.3235f35.3235f9.7477f9.6096f
cstot26.4458f26.4458f37.8057f37.8057f13.1491f13.1500f
cbtot28.1257f28.1257f40.1024f40.1024f14.7630f15.5264f
cgs17.7131f17.7131f28.2358f28.2358f7.7386f7.7420f
cgd1.6796f1.6796f3.8744f3.8744f1.1407f1.0019f
所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=3.4V。
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M1，M2的衬偏效应。
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VTH=1.0202，当共模电平增大时，VTH也随之增大，直到输入共模电平增大到5V，此时的阈值电压增大到VTH=1.6066V，并且Vds6从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：
****voltagesources
subckt
element0:
v10:
vin1
volts5.00002.5000
current-49.7605u0.
power248.8025u0.
totalvoltagesourcepowerdissipation=248.8025uwatts
*****currentsources
subckt
element0:
i1
volts-1.3521
current50.0000u
power67.6062u
totalcurrentsourcepowerdissipation=67.6062u
watts总功耗为W=233.0079+67.6062=316.4087uw
4.5数据对比
增益
单位增益带宽
输入共模电平范围
面积
功耗
设计要求
>100
30M
>3V
尽量小
尽量小
理论值
111.214
47.746M
3.0940V
尽量小
311.155uw
仿真结果
>125.89
59.1M
3.4V
较小
316.4087uw
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