模电设计电流镜负载的差分放大器.docx

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模电设计电流镜负载的差分放大器

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、带宽与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、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CL1pF

VDD5V

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：

-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：

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

M1I1

00NVNL=1UW=10UM=1

VBS

VDS

*DICTIONARY1

*GND=0.optionspostlist.dcVDS050.1.op.printi1（M1I1）.END仿真波形：

仿真得出的数据：

subckt

element0:

m1i1

model

nvn

region

Saturati

18.6184u

ibs

-4.227e-22

ibd

-23.6496a

vgs

1.0000

vds

5.0000

vbs

vth

830.1150m

vdsat

125.6460m

vod

169.8850m

beta

1.4749m

gameff

894.5056m

192.1882u

gds

1.2418u

gmb

72.1958u

cdtot

12.5800f

cgtot

24.0149f

cstot

31.6174f

cbtot

34.8211f

cgs

18.4311f

cgd

2.8784f

参数计算：

ID21nCox（WL）（VGSVTH）（21+nVDS）

VDS

12nCox（WL）（VGSVTH）2n

由仿真结果可以算出：

n=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

VDDNVPL=1UW=10UM=1

.unprot

M1I1VDSVGSVDD

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

model

nvp

region

Linear

ibs

ibd

vgs

-1.0000

vds

vbs

vth

-899.3391m

vdsat

-136.0660m

vod

-100.6609m

beta

471.1383u

gameff

384.0716m

gds

46.9930u

gmb

cdtot

29.4825f

cgtot

30.8144f

cstot

30.3463f

cbtot

40.6913f

cgs

17.7584f

cgd

12.8808f

参数计算：

1W2ID2pCox（L）（VGSVTH）（1+pVDS）

VDS

1W2

12nCox（WL）（VGSVTH）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

n0.035，VTH0.7231，tox1.17108，n=3.830010-2

p0.0729，VTH0.906，tox1.2108，n=2.43342410-2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。

0si3

Cox0si=2.95103oxtox

由性能指标低频开环增益>100，GBW（增益带宽积），CL=1pf可

AVgm（ro2//ro4）100

GBWgm30106

2CL

求得gm22CL301061.8849104

我们设计中取gm23104。

0.1079

ID2CL3010417.469106A

AVgm（ro2//ro4）gm2100

另一方面（np）ID

求得ID27.8106A。

17.469mAID27.8mA。

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，

W15.931求得L15.931

这里我们取L

（W）1216

下一步应该确定M3，M4，M5，M6的宽长比。

由ID2CoxL（VGSVTH）（1VDS）可得

W2ID2ID

取负载管M3，M4的过驱动电压

Vod=300mV可得（L）347.739

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

343.540

这里我们取（WL）56

AVgm（ro2//ro4）2nCoxIDWL（np）ID

VincomMINVGS1Vod60.72310.20.51.4231

VincomMAX5VVGS3VTH15（0.9060.3）0.72314.5171

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：

*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

.unprotcoutvout01pf

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

-10-

*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

M=1

M=4

M3M3dg-M4g-M1dM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8U

M4voutM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1

M1M3dg-M4g-M1din1M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16U

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

-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=25.000temp=25.000

*projectdc_nmos******acanalysis

-12-

31.62278k

42.3151

39.81072k

42.3039

50.11872k

42.2862

63.09573k

42.2583

79.43282k

42.2144

100.00000k

42.1458

125.89254k

42.0392

158.48932k

41.8754

199.52623k

41.6279

251.18864k

41.2625

316.22777k

40.7397

398.10717k

40.0218

501.18723k

39.0824

630.95734k

37.9154

794.32823k

36.5373

1.00000x

34.9810

1.25893x

33.2862

1.58489x

31.4904

1.99526x

29.6242

2.51189x

27.7107

3.16228x

25.7658

3.98107x

23.8006

5.01187x

21.8219

6.30957x

19.8342

7.94328x

17.8402

10.00000x

15.8412

12.58925x

13.8372

15.84893x

11.8275

19.95262x

9.8101

25.11886x

7.7813

31.62278x

5.7356

39.81072x

3.6643

50.11872x

1.5548

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）

-13-

.optionslistnodepost

.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****mosfetssubckt

element

model

nvp

nvn

region

Saturati

SaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati

-23.3008u

23.3008u

46.6016u

50.0000u

ibs

1.185e-21

-16.2402a-

16.2402a-1.058e-21-1.135e-21

ibd

4.6881a

4.6881a-

113.8455a-113.8455a-

1.0139a-2.5571a

vgs

-1.2392

1.0635

1.3521

vds

-1.2392

3.2243

536.4570m

1.3521

vbs

-536.4570m-536.4570m

vth

-898.4776m-898.4776m

1.0202

840.6927m

839.6145m

vdsat

-325.6130m-

325.6130m

71.2561m

310.9569m

311.4916m

vod

-340.7521m

43.3089m

511.4315m512.5097m

beta

359.5878u

9.5044m

576.1957u

576.2126u

gameff

384.0653m

908.7034m

894.5198m894.5210m

119.6053u

402.3115u

159.6314u

174.0003u

gds

2.0864u

990.6995n

8.9999u

2.0796u

gmb

29.2127u

120.0342u

56.6258u

61.4295u

cdtot

11.5100f

83.0119f

7.0004f

6.2662f

cgtot

20.3759f

131.8157f131.8157f

9.6359f

9.6096f

cstot

26.4459f

163.4455f163.4455f13.1528f13.1500f

-14-

cbtot

28.1764f

199.0483f

16.2186f

15.5264f

cgs

17.7019f

91.4478f

7.7484f

7.7420f

cgd

1.6795f

18.1567f

1.0386f

1.0019f

Vincom=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

****mosfets

subckt

element

model

nvp

nvn

region

Saturati

SaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati

-26.0692u

26.0692u

52.1384u

50.0000u

ibs

1.326e-21

-24.5995a-24.5995a-1.184e-21-1.135e-21

ibd

4.7720a

-28.2928a

-6.1486a

-2.5571a

vgs

-1.2614

1.7496

1.3521

vds

-1.2614

488.1626m

3.2504

1.3521

vbs

-3.2504

vth

-898.4814m-898.4814m

1.6066

837.0766m

839.6145m

vdsat

-343.1824m-

343.1824m

144.8909m

312.7809m

311.4916m

vod

-362.9668m-362.9668m

142.9751m

515.0476m512.5097m

beta

358.2060u

2.3586m

576.2513u

576.2126u

gameff

384.0646m

955.8307m

894.5218m894.5210m

125.7337u

289.6421u

180.5302u

174.0003u

gds

2.2816u

4.1017u

764.2799n

2.0796u

gmb

30.7391u

45.7557u

63.5969u

61.4295u

cdtot

11.4719f

20.1149f

5.6403f

6.2662f

cgtot

20.3750f

35.3235f

9.7477f

9.6096f

cstot

26.4458f

37.8057f

13.1491f13.1500f

cbtot

28.1257f

40.1024f

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