電流鏡負載的差分放大器設計.doc

電流鏡負載的差分放大器設計摘 要在對單極放大器與差動放大器的電路中，電流源起一個大電阻的作用，但不消耗過多的電壓余度。而且，工作在飽和區(qū)的MOS器件可以當作一個電流源。在模擬電路中，電流源的設計是基于對基準電流的“復制”，前提是已經存在一個精確的電流源可以利用。但是，這一方法可能引起一個無休止的循環(huán)。一個相對比較復雜的電路被用來產生一個穩(wěn)定的基準電流，這個基準電流再被復制，從而得到系統(tǒng)中很多電流源。而電流鏡的作用就是精確地復制電流而不受工藝和溫度的影響。在典型的電流鏡中差動對的尾電流源通過一個NMOS鏡像來偏置，負載電流源通過一個PMOS鏡像來偏置。電流鏡中的所有晶體管通常都采用相同的柵長，以減小由于邊緣擴散所產生的誤差。而且，短溝器件的閾值電壓對溝道長度有一定的依賴性。因此，電流值之比只能通過調節(jié)晶體管的寬度來實現(xiàn)。而本題就是利用這一原理來實現(xiàn)的。一、設計目標（題目）3二、相關背景知識41、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括：4三、設計過程51、電路結構52、主要電路參數(shù)的手工推導63、參數(shù)驗證（手工推導）7四、電路仿真71、NMOS特性仿真及參數(shù)推導72、PMOS特性仿真及參數(shù)推導103、最小共模輸入電壓仿真134、電流鏡負載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導15五、性能指標對比18六、心得18一、設計目標（題目）電流鏡負載的差分放大器設計一款差分放大器，要求滿足性能指標：l 負載電容ll 對管的m取4的倍數(shù)l 低頻開環(huán)增益100l GBW(增益帶寬積)30MHzl 輸入共模范圍3Vl 功耗、面積盡量小參考電路圖如下圖所示設計步驟：1、 仿真單個MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信號輸出電阻和跨導。2、 根據(jù)上述仿真得到的器件特性，推導上述電路中的器件參數(shù)。3、 手工推導上述尺寸下的差分級放大器的直流工作點、小信號增益、帶寬、輸入共模范圍。4、 如果增益和帶寬不符合題目要求，則修改器件參數(shù)，并重復上述計算過程。5、 一旦計算結果達到題目要求，用Hspice仿真驗證上述指標。如果仿真得到的增益和帶寬不符合要求，則返回步驟2，直至符合要求二、相關背景知識傳統(tǒng)運算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負載的差分對。如下圖所示。1、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括： 1.直流參數(shù)： 開啟電壓Vt，即當Vds為某一固定值使Id等于一微小電流時，柵源間的電壓。 2.交流小信號參數(shù)： PMOS、NMOS的柵跨導 g m ： g m 越大，說明器件的放大能力越強，可以通過設計寬長比大的圖形結構來提高跨導。小信號電阻 r0 ： r0 說明了Vds對Id的影響，是輸出特性在某一點上切線斜率的倒數(shù)。 3.相關公式： 電流公式： MOS管等效電阻公式： （飽和區(qū)）Gds=nID電壓增益：增益帶寬積：三、設計過程1、電路結構整體電路如上圖。2、主要電路參數(shù)的手工推導根據(jù)題目要求：n 負載電容n 低頻開環(huán)增益100n GBW(增益帶寬積)30MHz因以上公式不考慮溝道長度調制效應和體效應，所以理論計算和實際值會有一定誤差，因此在此將增益帶寬積提升為40MHz。由 ，得；40 得；2.51又有 = （）從工藝庫得到：model nvn nmos：+tox= 1.17e-08+toxn 、+u0= 3.8300000e-02得：=6.1839后經仿真計算得到的 =7.8600選取ID2=15U 得：3.396 ，考慮到存在一定誤差，選擇10.要使MN2和MN4同時飽和，最小Vin.CM=Vdsat2+Vth4。仿真得Vdsat2=0.552V。Vth4=0.780V. 得最小輸入共模電壓Vin.CM=1.332V.仿真得Vin.CM=4.5V時，增益為45db，增益帶寬積為53MHz. 仍滿足要求。得輸入共模范圍大于：4.5-1.332=3.168V3V事實上當MN2和MN4沒有同時飽和也能達到增益和帶寬要求，輸入共模電壓Vin.CM=1.1V時，ID4=16.6u，增益為58.3db，增益帶寬積為32.1MHz。3、參數(shù)驗證（手工推導）根據(jù)上節(jié)的電路器件尺寸，通過手工推導出電路要求設計的各項指標。并將計算出來的指標與要求進行對比。如果實際電路未能達到設計要求，則還需返回上一節(jié)的計算和推動過程，直至所設計電路符合題目要求。為了減小面積并增大增益，PMOS的寬長比選取為1.仿真得=10的NMOS的n=0.03581. =1的PMOS的p=0.01791=4.307.故增益帶寬積為=68.548MHz30MHz，滿足題目要求。Ro2|Ro4=1.241106故=534.5100. 滿足要求。四、電路仿真1、NMOS特性仿真及參數(shù)推導單個NMOS管以二極管形式連接，如圖，其中電流I=15u，W=20U，L=2U,VDD=5V.仿真網表：.prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.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靜態(tài)仿真結果：* mosfets subckt element 0:mn1 model 0:nvn region Saturati id 1.500e-05 ibs -3.406e-22 ibd -3.204e-17 vgs 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從中可得到gm=2.428e-04，和手工推導得到的有一定誤差。推導NMOS參數(shù)：由公式 Gds=nID。得n=0.03581。2、PMOS特性仿真及參數(shù)推導單個PMOS管以二極管形式連接，如圖，其中電流I=15u，W=2U，L=2U,VDD=5V.仿真網表：.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 * DICTIONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END靜態(tài)仿真結果：* 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-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從中可得到gm=2.751e-05。推導NMOS參數(shù)：由公式 Gds=nID。得p=0.01791。3、最小共模輸入電壓仿真電路圖：仿真網表：.prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .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 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波形圖：從圖中可以看出使MN2和MN4同時飽和的最小輸入共模電壓Vin.CM=1.4V。這是由于體效應導致Vth提高而引起的。4、電流鏡負載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導整體電路如下圖：仿真網表：* 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: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 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仿真參數(shù)：* 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 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 -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 931.2989m 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 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幅頻特性曲線：由圖中可以看出：增益為58.4db，3db帶寬為90.9KHz，增益帶寬積為49.8MHz