有源电流镜差分放大器的设计.doc

CMOS模拟集成电路课程设计（参考请注明出处） 设计题目： 有源电流镜差分放大器的设计 授课教师： 王天宝 所属班级： 微电子081班 学生姓名： 王明(2008102015) 完成日期： 2011/5/8 1目录1、设计要求12、设计过程22.1分析：22.2 电路结构22.3 电路主要参数设计与估算22.3.1 尾电流源的计算32.3.2 mos管的过驱电压的设定32.3.3 MOS管尺寸设定32.3.4的估算，42.3.5 SR的估算：42.3.6 CMRR的估算52.3.7 PSRR的估算：52.3.8和的估算52.3.9 和的确定52.3.10 功耗的估算52.4mos管W和L表62.5 讨论63、仿真过程63.1 静态工作点仿真63.2 增益的仿真73.3 CMRR仿真83.4 PSRR仿真103.5 SR的仿真113.6输入范围仿真123.7输出范围仿真144、结论155、 差分放大器版图设计156、 心得体会17CMOS模拟集成电路课程设计1、设计要求1.1、课程设计题目：cmos有源电流镜负载差分放大器设计1.2、题目要求： 设计一个有源电流镜作为负载，输入管为NMOS的差动输入到单端输出的放大器，要求尽可能满足下列要求。不要求设计偏置电流电路，可以用3uA的恒流源替代。工艺TSMC0.18 CMOS ProcessAV140VDD3.3VCMRR30dBVSS0VPSRR30dBPD越小越好VODC1.6V （VIDC=1.6V）CL5pFSlew Rate1V/us1.3设计要求：（1） 给出满足题目要求的电路图（2） 根据设计目标，计算各MOS管的尺寸（3） 对电路进行仿真，仿真内容包括：直流输入范围、直流输出范围、交流小信号增益、共模抑制比、电源抑制比、功耗。（4） 对结果进行分析（5） 比较各项指标，完成下表工艺设计指标计算值仿真值是否达到指标VODC1.6V （VIDC=01.6V）PD140CMRR30dBPSRR30dB直流输入范围直流输出范围2、设计过程2.1分析：更根据给定的电源电压和放大倍数，初步确定为单电流镜负载的差分结构，仿真软件采用cadence的IC610软件包。2.2 电路结构图表 1电流镜负载差分放大器2.3 电路主要参数设计与估算电路的参数设计主要包括、，基于以上，电路的估算参数包括、 、CMRR、PSRR、SR、。2.3.1 尾电流源的计算根据题目要求，偏置电流源可以用3uA的理想电流模型，其次，电路的slewing rate 要求是大于1V/us，电路给定的负载电容是，并且电路功耗要求，尾电流源的由下面式子确定：初步确定为：。2.3.2 mos管的过驱电压的设定：一般差分输入对的过去电压在300mV以内，本设计中确定的输出差分管的过驱电压为：=100mV；：根据的要求 ，假设pmos管，确定：=VDD- -=0.95V：为提供大电流管，设置：=500mV2.3.3 MOS管尺寸设定根据以上确定的和值来确定Tsmc018工艺库的pmos3v、nmos3v部分参数如下表格 1tsmc018 部分参数Nmos3vPmos3v=41m=10m=5.07fF/um*um=5.07fF/um*um=0.015(L=1u)=0.035(L=1u)根据萨尔斯方程方程，确定的各管的如下表格 2 计算W/LMOS管模型NCH30.72PCH30.115NCH30.642.3.4的估算，可由下列公式得到：可得到 40052dB符合设计要求，则继续进行其他参数估算，若不合格，修改参数重复进行。2.3.5 SR的估算：根据SR的定义,将差分放大器的输出与vin-相连，给vin+一个阶跃信号，输出电压的斜率即SR的值，另一方面：可以估算， SR= 1.2V/us ， 满足要求2.3.6 CMRR的估算= 2（）5280094.4dB满足指标要求2.3.7 PSRR的估算：=（）50dB满足指标要求2.3.8和的估算和的估算主要根据mos管的开启条件和饱和条件来确定，具体如下：范围： 即1.25V2.3V范围： 即0.75V2.3V2.3.9 和的确定根据的范围和先前的值，给定=1.6V =3.3-(0.95+0.75)=1.6V2.3.10 功耗的估算=3.3V6uA+(0.85V+400mV)3uA=23.55uW2.4mos管W和L表表格 3 mos管W、L设置Mos管模型W和L、NCH3L=2um W=1.44u、PCH3L=2um W=380nm、NCH3L=1um W=545nmNCH3L=1.7um W=480nm2.5 讨论从以上可以看出，mos的几个重要的参数中，过驱电压、偏置电流是特别重要的，设计者必须根据经验给出大致的范围，设计才能进行下去，而且，不能一味的寻求某个参数的最大化，必须进行折中。比如，在设计摆率SR时，我们要求SR越大越好，但是，SR的增大也意味着功耗的增加，噪声的增加。决定着增益的大小，但是增益太大，意味着他的输出电容更大，同时还会带来输出摆幅的减小，一个具有某种功能的电路是容易的，但是一个高性能的电路是非常难的。3、仿真过程3.1 静态工作点仿真打开cadence的specture仿真软件，设置静态工作点仿真模型如下得到仿真结果如下：图表 2静态工作点仿真可以看到，静态工作点如下：，满足要求。3.2 增益的仿真1）电路的连接方式如下，图表 3增益仿真图给定输入共模电压1.6V，并提供一个交流电压1V测量输出增益。2）选用AC扫描类型得到如下仿真结果：图表 4增益仿真结果可以看到，仿真得到的增益，满足要求3.3 CMRR仿真1）电路连接方式图表 5CMRR仿真输出和输入工程源随器结构，之间增加一个交流信号，并在正向输入端加共模电压1.6V和交流信号，测量输出情况。2）仿真参数设置得到如下仿真结果：图表 6CMRR仿真结果可以看到，低频CMRR=91dB，3.4 PSRR仿真1）电路连接方式图表 7PSRR仿真电源增加一个交流信号，运放构成源随器结构，在正向端增加共模电压1.6V，测量输出情况。2）仿真参数设置得到如下结果图表 8PSRR仿真结果仿真结果PSRR=56dB3.5 SR的仿真1）电路连接方式图表 9 SR仿真仿真参数设置2）得到如下结果图表 10SR仿真结果图表 11SR计算公式编辑图表 12SR计算结果得到仿真结果，SR=1.1V/us3.6输入范围仿真1）电路连接方式图表 13输入范围仿真对输入共模电压进行DC扫描得到输入管的电流和电流源的漏端电压。2）仿真参数设置得到如下结果图表 14输入范围仿真结果由上图可以看到在输出管电流恒定时的输入电压是1.384V，当电流源管饱和时的输入电压为2.4V，所以输入范围是：2.4V-1.384V=1V3.7输出范围仿真1）电路连接方式图表 15输出范围仿真设置一个合适的负反馈回路，共模电压1.6V串联在反馈电压中，然后对正相输入进行DC扫描。2）仿真参数设置得到如下结果图表 16输出范围仿真结果由上图看以看到在输出增益最大时的输出范围为2.742V-0.853V=1.9V 满足指标要求4、结论根据以上的估算结果和仿真结果得到如下结论，图表 17仿真与计算结果工艺设计指标计算值仿真值是否达到指标VODC1.6V （VIDC=01.6V）1.55V1.9V是PD14052dB56dB是CMRR30dB94.4dB91dB是PSRR30dB50dB56dB是直流输入范围1.25V2.3V1.38V2.4V是直流输出范围0.75V2.3V0.853V2.742V是可以看出，各项指标都达到了要求，之所以有差别，是因为在估算时只是考虑了理想状态下的mos管，实际中，mos管的二级效应的影响是很重要的，如衬偏效应、沟道长度调制效应、亚阀区导电效应，特别是沟道长度效应，在你设计mos管时你要确定下总体的沟道长度是多上，然后根据软件，测出沟道调制系数是多少，一般在L大于0.6um时的左右，而在特征尺寸附近如L=0.35um时，会变得很大，甚至可以达到0.1左右。5、 差分放大器版图设计在差分放大管中，对于输入差分对要求高度对称来减小工艺的缺陷，一般采用共质心结构。对于电流镜和输入差分对管，一般都要求周围设计保护环结构，为了边界处的栅氧化层具有跟好的完整性，一般在mos管俩边放置一个不工作的mos管，它最终与衬底相连，这样在腐蚀工艺中可以减少工作管的更完整。设计的版图如下：图表 18差分放大器版图图表 19差分输入对版图图表 20电流源版图图表 21电流源负载版图6、 心得体会通过这次课程设计我受益很大。主要有以下几点：1）放大器的估算很重要，设计时粗估时使用理想的电压电流方程，在指标满足要求情况下，尽量考虑mos管的二级效应再次估算一下，不过这个电路简单，只要一次估算就差不多了；2）在设计电路参数时，要抓住参数设计的切入点，然后逐步解决问题，比如在运放的设计中，一般要把功率、过驱电压、摆率首先考虑，然后再看其他参数是否满足指标；3）估算时必须考虑工艺特点，因为工艺是有误差的，一般工艺厂商都给出了corner参数，在你设计电路时，最终还要进行ff、ss、tt、sf等的仿真。4）在全局晶体管的宽长设置时尽量