IC課設(shè)報告 電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計

《IC課程設(shè)計》報告電流鏡負(fù)載的差分放大器《IC課程設(shè)計》報告電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系同組人：目錄一、設(shè)計目標(biāo)（題目） 2二、系統(tǒng)功能定義 3三、相關(guān)背景 3四、設(shè)計過程 61、NMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 62、PMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 83、電流鏡負(fù)載的放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 10五、個人心得 14六、參考文獻 16七、附錄 16分工 16設(shè)計目標(biāo)（題目）電流鏡負(fù)載的差分放大器指導(dǎo)老師：陳曉飛（87611245轉(zhuǎn)8509，xfchen@）助教：李小晶TelEmail:lxjhustor@163.com設(shè)計一款差分放大器，要求滿足性能指標(biāo)：負(fù)載電容對管的m取4的倍數(shù)低頻開環(huán)增益>100GBW(增益帶寬積)>25MHz輸入共模范圍>3V功耗、面積盡量小參考電路圖如下圖所示設(shè)計步驟：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(dǎo)。根據(jù)上述仿真得到的器件特性，推導(dǎo)上述電路中的器件參數(shù)。手工推導(dǎo)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。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(fù)上述計算過程。一旦計算結(jié)果達到題目要求，用Hspice仿真驗證上述指標(biāo)。如果仿真得到的增益和帶寬不符合要求，則返回步驟2，直至符合要求系統(tǒng)功能定義傳統(tǒng)運算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對。如下圖所示。NMOS器件M1和M2作為差分對管，P溝道器件M4，M5組成電流源負(fù)載。電流0I提供差分放大器的工作電流。如果M4和M5相匹配，那么M1電流的大小就決定了M4電流的大小。這個電流將鏡像到M5。如果GS1GS2V=V，則Ml和M2的電流相同。這樣由M5通過M2的電流將等于是OUTI為零時M2所需要的電流。如果GS1GS2V>V，由于0D1D2I=I+I，D1I相對D2I要增加。D1I的增加意味著D4I和D5I也增大。但是，當(dāng)GS1V變的比GS2V大時，D2I應(yīng)減小。因此要使電路平衡，OUTI必須為正。輸出電流OUTI等于差分對管的差值，其最大值為0I。這樣就使差分放大器的差分輸出信號轉(zhuǎn)換成單端輸出信號。反之如果GS1GS2V<V，OUTI將變成負(fù)。相關(guān)背景NMOS管剖面圖NMOS管I-V特性曲線Mosfet作為信號放大時，其輸入的信號一般為交流信號，即隨時間而變化的電信號，這是器件的特性將因信號變化的大小及快慢而不同，有低頻、高頻之分。單個mosfet的主要參數(shù)包括：1.直流參數(shù)：開啟電壓Vt，即當(dāng)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(dǎo)：越大，說明器件的放大能力越強，可以通過設(shè)計寬長比大的圖形結(jié)構(gòu)來提高跨導(dǎo)。小信號電阻：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)。相關(guān)公式：電流公式：,MOS管等效電阻公式：=1/gds=1/（mos管要工作于飽和區(qū)）gds=直流工作點在計算增益要求的性能指標(biāo)時要用到如下增益、帶寬公式：小信號增益：單位增益帶寬：電流鏡負(fù)載的差分放大器電路設(shè)計過程1、NMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個Nmos管的仿真，NMOS以共源連接方式連接，如圖。其中電流I=40uA，管子寬長比W=100u，L=1u，VDD=5v仿真網(wǎng)表：nmos.optionslistnodepost.op.LIB'D:\Installed\Hspice\Lib\CMOS_035_Spice_Model.lib'TTMpdd00N_33L=1uW=100uIDVDDd40uVDDVDD05v.END得到靜態(tài)仿真結(jié)果：****mosfetssubcktelement0:mpmodel0:n_33regionSaturatiid40.0000uibs-6.249e-21ibd-4.1440fvgs680.3816mvds680.3816mvbs0.vth661.6627mvdsat82.1938mvod18.7189mbeta18.2183mgameff703.3934mgm705.7681ugds2.5548ugmb263.3084ucdtot136.7248fcgtot326.1779fcstot456.1968fcbtot433.1469fcgs232.5666fcgd14.9154f從以上網(wǎng)表結(jié)果知，在15uA的偏置電流下，NMOS跨導(dǎo)gm=705.7681uS,小信號模型下的輸出電阻ro=rds=1/gds=1/2.5548u=391.42K推導(dǎo)NMOS器件參數(shù)如下：公式gds=，得到λn=0.06387（1+λn*Vds）2、PMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個PMOS管的仿真，將PMOS以共源連接方式連接，如圖。其中電流I=40uA，管子寬長比W=2u，L=1u。VDD=5v仿真圖形：仿真網(wǎng)表：pmos.optionslistnodepost.op.LIB'D:\Installed\Hspice\Lib\CMOS_035_Spice_Model.lib'TTMpDDVDDVDDP_33L=1uW=2uIDD040uVDDVDD05V.END仿真靜態(tài)結(jié)果：****mosfetssubcktelement0:mpmodel0:p_33regionSaturatiid-40.0000uibs1.794e-19ibd10.6777fvgs-1.7641vds-1.7641vbs0.vth-862.2167mvdsat-785.3466mvod-901.8566mbeta105.9427ugameff350.4868mgm75.7664ugds2.4711ugmb14.3361ucdtot3.0888fcgtot9.1884fcstot12.6728fcbtot10.1213fcgs7.5859fcgd254.0724a類似NMOS的推導(dǎo)：Ro=Rds=1/gds=1/2.4711u=404.678Kλp=gds/id=2.4711/40=0.0617775(1+λp*Vds)Kp=40u/(1.7614-0.8622167)^2/1.0617775=46.1uA/V^23、電流鏡負(fù)載的放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)在如上尺寸下仿真放大器的直流工作點，小信號增益，帶寬，輸入共模范圍：完整放大器的波形：①靜態(tài)工作點的計算：選取靜態(tài)工作點為差分對管的靜態(tài)偏置電壓：1.12VId0=2Id1=2Id2=80uAVout的偏置電壓：Vout(偏置)≈5*（537/(537+404)）=2.82②小信號增益電壓：Av=gm(ro2||ro4)=706u*(391k||404k)=140.28③帶寬：GB=gm/2πcf=706u/2*PI*2p=56.2MHZ按題目要求的增益和帶寬都達到了要求：HSPICE整電路輸入網(wǎng)表：EX4.2commonsourceampACanalysis.LIB'D:\Installed\Hspice\Lib\CMOS_035_Spice_Model.lib'TT.PARAMMn=100u.PARAMzhi=1.12v///直流偏置電壓

M11100n_33L=1uW=2uM22100n_33L=1uW=2uM33620n_33L=1uW=Mn///放大管的尺寸M45720n_33L=1uW=MnM54334p_33L=1uW=2uM64354p_33L=1uW=2uIref4180ua///輸入的偏置電流

Cl502p///負(fù)載電容

Vn62dczhiAC.5v180///輸入端偏置電壓和交流電

Vp72dczhiAC.5vVdd40dc5///電源電壓5V.acdec401001000MEG///交流仿真

.op///仿真靜態(tài)特性.printVDB(5)V(5)///打印電路圖

.end輸出最大值的對數(shù)頻率特性曲線：從圖中可以看出，系統(tǒng)低頻開環(huán)放大倍數(shù)為174倍：AV=174大于題目要求的100倍：從圖中可以看出：下降3DB后的帶寬，即：增益帶寬積為：0.309MHZ*174=53.766MHZ單位增益帶寬=50.7MHZ五、個人心得伴隨著IC課程設(shè)計的結(jié)束，這個學(xué)期的任務(wù)終于完成了?；叵肫疬@個課程設(shè)計，我感慨頗多。雖然一路磕磕絆絆，但是我們最終還是順利的完成了這個任務(wù)，各項指標(biāo)也達到了題目要求，同時也學(xué)到了不少新的知識，感覺很值得。IC課程設(shè)計算是我們做過的所有課程設(shè)計里面疑惑最大的。以前的課程設(shè)計，都是在學(xué)過一個軟件或者一種新的編程語言之后，按照所學(xué)知識來完成。但是IC課程設(shè)計，對我來說，所有的基礎(chǔ)就是學(xué)過的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的課程了，Verilog語言不是很熟練，Hspice更是第一次聽到。所以，我感覺自己要完成這個IC課程設(shè)計，必然要從零基礎(chǔ)開始奮斗了。不過，讓人欣慰的是，這個課程設(shè)計是三四個人一組的，所以我們可以根據(jù)每個人的特長分工完成，這樣可以減少每個人的工作量，不過對幾個人的合作能力是一個很大的考驗。另外，這個課程設(shè)計16周布置的，而當(dāng)時我們基本上每門課都進入了結(jié)課階段，各種實驗、考試撲面而來，這時候再加個課程設(shè)計，大家都難免會發(fā)些牢騷，但是，最終大家都還是在感慨一下大三就是忙啊之后埋頭開始了課程設(shè)計。拿到題目之后，我們組并沒有立即開始，也沒有立刻進行討論，而是自己先下去消化題目。這是一個很關(guān)鍵的步驟，要想順利的完成IC課程設(shè)計，首先就必須要把題目看懂，知道我們要做一個什么樣的東西出來，電流鏡負(fù)載的差分放大器，然后就回去復(fù)習(xí)丟掉了大半年的模電知識，在源極耦合差分放大電路中找到了類似例子?？偹愀忝靼琢宋覀円鍪裁?。除了課本上找到的相關(guān)知識，我們各自也找了一些資料。網(wǎng)上找到了很多不同學(xué)校的關(guān)于電流鏡負(fù)載差分放大器的相關(guān)內(nèi)容，又從圖書館抱回了一大堆CMOS的書籍，但是感覺最有用的還是其他組的助教發(fā)的一份《CMOS模擬集成電路設(shè)計與仿真》?？傊趧邮种?，我們做了大量的準(zhǔn)備工作，所謂兵馬未動糧草先行。在搞清楚了理論知識之后，我們就著手于軟件的研究：Hspice和Viewlogic。Viewlogic比較簡單，在以前的電子線路測試試驗中用過類似的圖形編輯軟件，如Pspice等，所以學(xué)習(xí)起來相對比較容易，但是貌似Viewlogic和win7不兼容，我們幾個搞模電題目的同學(xué)遇到的問題都是裝不了Viewlogic，不能正常運行，在找其他班的同學(xué)交流之后確定是和win7不兼容，于是找同學(xué)用XP系統(tǒng)裝了一個，畫圖都在這個機子上搞定了。我們根據(jù)實驗內(nèi)容中需要的P型管、N型管和最終的整體電路，調(diào)整各個元器件的參數(shù)達到標(biāo)準(zhǔn)后便可以自動生成網(wǎng)表，與其他工具集成在一起，便可以簡化模擬和調(diào)試。生成網(wǎng)表以后，要用Hspice對各個器件的性能指標(biāo)進行仿真，Hspice的激勵需要自己在文檔中手寫，網(wǎng)表則需要從電路圖中導(dǎo)出來，可能還需要對導(dǎo)出來的網(wǎng)表進行修改。尤其是仿真這一段，需要不停的修改參數(shù)，慢慢的調(diào)整需要的指標(biāo)（即放大倍數(shù)和帶寬）達到要求。雖然很麻煩，但是只要我們對理論知識很清楚，并且能熟練的掌握Hspice的操作方法，實現(xiàn)起來也不是很困難。其實在這個過程中，我們遇到了很多問題，不管是理論推導(dǎo)還是軟件操作，答疑都起了很大的作用，助教對我們的幫助很大，而和其他組的同學(xué)或者其他班級同一個題目同學(xué)的討論，更是讓我們?nèi)缁⑻硪恚热绶抡鍺MOS和PMOS單管特性的時候，不管怎樣設(shè)置WL比，總是達不到要求，最后在同學(xué)的提醒下將電流增大才滿足要求，而電流是我們?nèi)菀缀雎缘膯栴}，自己檢查過程中很難發(fā)現(xiàn)這一點，而在和同學(xué)的討論中可以更快的發(fā)現(xiàn)問題。最終，通過自己的努力和助教、同學(xué)的幫助，我們還是痛苦但順利的完成了任務(wù)。課程設(shè)計過程中海遇到了其他各種形形色色的問題，包括很難的以自己實力確實解決不了的問題，也有很弱智的比如軟件設(shè)置等問題，就不一一列舉了。關(guān)于課程設(shè)計內(nèi)容就不多說了，上面設(shè)計過程一步一步已經(jīng)講的很清楚了。下面來講講這一路走來，除了知識水平方面我其他的一些收獲。首先，要做好充分的準(zhǔn)備。不僅僅是IC課程設(shè)計，都要做好充足的準(zhǔn)備，尤其是理論知識是掌握，一定要對以前所學(xué)的知識有一個系統(tǒng)的了解，看到一個新問題要知道如何轉(zhuǎn)化為學(xué)過的知識。其次，團隊工作要注意分工。當(dāng)然，分工不是說只做這一部分，而且，如果對其他部分不了解，做自己的部分時候也會很困難。我們每個隊員都要對這個課程設(shè)計有一個宏觀的了解和把握，知道自己負(fù)責(zé)的部分所處的階段，對其他隊員負(fù)責(zé)的部分要有一定的了解，然后對自己負(fù)責(zé)的部分一定要精益求精，花大工夫，保質(zhì)保量，而且不能拖沓，這樣，團隊工作才能一步