电流镜负载的差分放大器设计

IC 课程设计 报告 模拟部分模拟部分 电流镜负载的差分放大器设计电流镜负载的差分放大器设计 摘 要 在对单极放大器与差动放大器的电路中 电流源起一个大电阻的作用 但 不消耗过多的电压余度 而且 工作在包河区的 MOS 器件可以当作一个电流 源 在模拟电路中 电流源的设计是基于对基准电流的 复制 前提是已经存 在一个精确的电流源可以利用 但是 这一方法可能引起一个无休止的循环 一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流 这个基准电流再被 复制 从而得到系统中很多电流源 而电流镜的作用就是精确地复制电流而不 收工艺和温度的影响 在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个 NMOS 镜 像来偏置 负载电流源通过一个 PMOS 镜像来偏置 电流镜中的所有晶体管通 常都采用相同的栅长 以减小由于边缘扩散所产生的误差 而且 短沟器件的 阈值电压对沟道长度有一定的依赖性 因此 电流值之比只能通过调节晶体管 的宽度来实现 而本题就是利用这一原理来实现的 目目 录录 1 设计目标 1 2 相关背景知识 2 3 设计过程 6 3 1 电路结构设计 6 3 2 主要电路参数的手工推导 6 3 3 参数验证 手工推导 7 4 电路仿真 9 4 1 用于仿真的电路图 9 NMOS 9 PMOS 9 整体电路图 10 4 2 仿真网表 注意加上注释 10 4 3 仿真波形 13 5 讨论 17 6 收获和建议 17 参考文献 19 1 设计目标设计目标 设计一个电流镜负载的差分放大器 参考电路图如下 性能指标如下 工艺ICC 网站的 0 35um CMOS 工艺 电源电压5V 增益带宽积25MHz 低频开环增益100 负载电容2pF 输入共模范围3V 功耗 面积尽量小 2 相关背景知识相关背景知识 据题目所述 电流镜负载的差分放大器的制作为 0 35um CMOS 工艺 要 求在 5v 的电源电压下 负载电容为 2pF 时 增益带宽积大于 25MHz 低频开 环增益大于 100 同时功耗和面积越小表示性能越优 我们首先根据 0 35um CMOS 工艺大致确定单个 CMOS 的性能 即在一定 值的 W L 下确定 MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导 然后记下 得到的参数并将其带入到整体电路中计算 推导电流镜负载的差分放大器电路 中的器件参数 例如 小信号模型的增益 带宽 功耗等 再分析是否满足题 目中的各项指标的要求 若不满足 则依据摘要理所说的 调节晶体管的宽度 然后用调整后的参数进行仿真 验证 直到符合要求为止 相关背景知识 相关背景知识 1 差分式放大器 差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件 包括 BJT FET 所 组成的差分式放大电路 并在两器件下端公共接点处连接一电流源 差分式又 分为差模和共模信号 输入电压 Vid 为 Vi1 和 Vi2 的差成为共模电压 另外 若输入电压 Vic 为 VI1 和 Vi2 的算术平方根 则称为共模电压 当输入电压是 共模形式时 即在两个输入端各加入相同的信号电压 在差分放大电路中 无 论是温度变化 还是电源波动引起的变化 其效果相当于在两个输入端加入了 共模信号 两输出端输出的共模电压相同 故双端输出时输出电压为零 当输 入电压是差模形式时 即在电路的两个输入端各加一个大小相等 极性相反的 信号电压 一管电流将增加 另一管电流则减小 所以在两输出端间有信号电 压输出 而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的 此题要求用双端差模信号输入 单端输出 相应的计算公式如下 1 差模输入电压 12idiivvv 2 共模输入电压 12 2 ii ic v v v 3 差模输出电压 12odoovvv 4 共模输出电压 12 2 oo oc vv v 5 双端输入 单端输出的差模电压增益 2 2 4 vdmdsdsAg rr 6 双端输入 单端输出的等效栅跨导 222mDgK I 2 2 2 ox W u C k L 7 双端输入 单端输出的等效输出电阻 22 22 1 ods D rr I 44 44 1 ods D rr I 8 带宽公式 2 4 1 2Loo BW C rr 9 增益带宽积 2 m L g GBW C 10 NMOS 管电流公式 2 DnOXGSTH 1 IC VV1 2 DS W V L 11 参数 1 L 12 当 MOS 处于饱和区域时有如下 2 2nCox D mnox DGSTH GSTH WW I gC IVV VV LL P 管和 N 管中需从 lib 库文件中读取 n 2 2 电流镜负载差分放大电路分析与设计 传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对 如上图所示 NMOS器件M1 和M2 作为差分对管 P沟道器件M4 M5 组成电流源负载 电流0 I 提供差分放大器的工作电流 如果M4 和M5 相匹配 那么M1 电流的大小就决定 了M4 电流的大小 这个电流将镜像到M5 如果GS1 GS 2 V V 则Ml和M2 的 电流相同 这样由M5 通过M2 的电流将等于是OUT I 为零时M2 所需要的电流 如果GS1 GS 2 V V 由于0 D1 D2 I I I D1 I 相对D2 I 要增加 D1 I 的增加意味着D4 I 和D5 I 也增大 但是 当GS1 V 变的比GS 2 V 大时 D2 I 应小 因此要使电路平衡 OUT I 必须为正 输出电流OUT I 等于差分 对管的差值 其最大值为0 I 这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单 端输出信号 反之如果GS1 GS 2 V 100VA 增益带宽积 GBW 25MHZ 负载电容 2PFLC 而 2 4 1 2Loo BW C rr 2 m L g GBW C 所以 25 2 42LooC rr 4 10 25 2 m L g C 6 10 而 2 22 1 ds D r I 4 44 1 ds D r I 所以 2244 1 DDII 6 10 而在电路中 那么就要算出和 2DI4DI 2 4 而 故分别对 NMOS 和 PMOS 仿 2 DnOXGSTH 1 IC VV1 2 DS W V L 真可以得到 故通过单管的仿真即可求出相应的 然后 1 2 2 1 2 1 1 1 D DS DS D W I LV V WI L 得出的范围 我们仿真得出的 故 2DIn 0 01647 p 0 02751 2DI 71 4323uA 然后从 25可推出 而 且 2 m L g C 6 10 mg 4 10 mg2222mDgK I 所以要求 W 则得出 而在仿真以后我们仿真后发 2 2x 2 2 ox W u C k L 2xoxu C 现 0 35um 工艺的为 2 04 故 3 38 2xoxu C 4 10 2 W L 3 3 参数验证 手工推导 参数验证 手工推导 根据上节的电路器件尺寸 通过手工推导出电路要求设计的各项指标 并将计算出来的指标与要求进行对比 如果实际电路未能达到设计要求 则还 需返回上一节的计算和推动过程 直至所设计电路符合题目要求 取 12 则有 所以 取 2 W L 2 2x 2 2 ox W u C k L 3 21 22 10k 则 故增益带宽积为 270DIA 4 2222 5 84 10mDgK I 25MHZ 满足题目要求 2 41 70 2 m L g GBWMHZ C 取 则 故 270DIA 5 2244 1 2 4 3 25 10 DD roro II 所以 100 满足要求 4 2 4 1 24 48 10 2Loo BW C rr 170 34VA 全部性能都满足要求 但是为了使性能更好 我们不断修改参数 反复返回上一节的计算和推动 过程 并进行多次仿真 最终得到了满足题目中的性能指标要求并使面积很小 的器件参数是 10 则根据公式 2 W L 2144DIA 2222mDgK I 可计算出 故 2 2x 2 2 ox W u C k L 4 2222 7 66 10mDgK I 25MHZ 然后 2 60 96 2 m L g GBWMHZ C 故 所 5 2244 1 2 4 1 58 10 DD roro II 4 2 4 1 50 30 10 2Loo BW C rr 以 100 满足性能要求 121 19VA 4 电路仿真电路仿真 4 1 用于仿真的电路图用于仿真的电路图 NMOS PMOS 整体电路图 4 2 仿真网表 注意加上注释 仿真网表 注意加上注释 仿真 NMOS 单管特性的网表为 Project N Innoveda Wirelist Created with Version 6 3 5 Inifile Options f d m z x Levels LIB c synopsys CMOS 035 Spice Model lib TT 0 35umCMOS 工艺元件库的调用路径 M1 1 2 0 0 N 33 L 1UM W 4UM NMOS 的 d 在节点 1 g 在节点 2 s 在节点 0 衬底在节点 0 型号是 33 长为 1um 宽为 4um VGS 2 0 4V GS 分别在节点 2 和节点 0 且 VGS 4V VDS 1 0 5V DS 分别在节点 1 和节点 0 且 VDS 5V DC VDS 0 6 0 2 以直流形式从 0 到 6 每间隔 0 2 采一个 VDS PRINT DC i m1 显示直流电流 i 的波形 op DICTIONARY 1 GND 0 OPTIONS INGOLD 2 option list node post END 仿真 PMOS 单管特性的网表为 Project P Innoveda Wirelist Created with Version 6 3 5 Inifile Options f d m z x Levels LIB c synopsys CMOS 035 Spice Model lib TT 0 35umCMOS 工艺元件库的调用路径 M1 1 2 0 0 P 33 L 1UM W 4UM PMOS 的 d 在节点 1 g 在节点 2 s 在节点 0 衬底在节点 0 型号是 33 长为 1um 宽为 4um VGS 2 0 4V GS 分别在节点 2 和节点 0 且 VGS 4V VDS 1 0 5V DS 分别在节点 1 和节点 0 且 VDS 5V DC VDS 0 10 0 2 以直流形式从 10 到 0 每间隔 0 2 采一个 VDS PRINT DC i m1 显示直流电流 i 的波形 op DICTIONARY 1 GND 0 OPTIONS INGOLD 2 option list node post END 由于有电路图直接生成的网表并不能用于 Hspice 仿真 还需要进行一些修改 如加上元件库 修改 OPTION 后面的内容 加上仿真激励和最终观看的节 点电路参数名称等 故最后用于 Hspice 仿真整体电路的网表为 Project ll Innoveda Wirelist Created with Version 6 3 5 Inifile Options f d m z x Levels lib D vf CMOS 035 Spice Model lib tt 0 35umCMOS 工艺元件库的调用路径 Vdd 2 0 5V 正电源电压在节点 2 和 0 之间 且电压为直流 5V Vss 8 0 5v 负电源电压在节点 8 和 0 之间 且电压为直流 5V COUT 3 0 2PF 负载电容在节点 3 和 0 之间 且值为 2PF MP1 4 4 2 2 P 33 L 1U W 1U P1MOS 管的 d 在节点 4 g 在节点 4 s 在节点 2 衬底在节点 2 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽也为 1um MP2 3 4 2 2 P 33 L 1U W 1U P2MOS 管的 d 在节点 3 g 在节点 4 s 在节点 2 衬底在节点 2 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽也为 1um MN1 4 5 6 6 N 33 L 1U W 10U N1MOS 管的 d 在节点 4 g 在节点 5 s 在节点 6 衬底在节点 6 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽为 10um MN2 3 1 6 6 N 33 L 1U W 10U N2MOS 管的 d 在节点 3 g 在节点 1 s 在节点 6 衬底在节点 6 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽为 10um MN4 6 7 8 8 N 33 L 1U W 1U N4MOS 管的 d 在节点 6 g 在节点 7 s 在节点 8 衬底在节点 8 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽为 1um MN3 7 7 8 8 N 33 L 1U W 1U N3MOS 管的 d 在节点 7 g 在节点 7 s 在节点 8 衬底在节点 8 33 是该 MOS 管的型号 长为 1um 宽为 1um Ibias 0 7 DC 144UA 镜像电流源的输入电流在节点 0 和 7 之间 直流值为 144uA V1I104 1 0 DC 0 AC 1V 在节点 1 和节点 0 之间输入的直流电压源的值为 1V V1I91 5 0 0V 在节点 5 和节点 0 之间输入的直流电压源的值为 0V AC dec 10 1K 10MEG 采用交流分析 从 1KHZ 到 1MHZ 每 10 倍频采 10 个点 PRINT VDB 3 以分贝为单位显示节点 3 的电压值 op DICTIONARY 1 GND 0 OPTIONS LIST NODE POST END 4 3 仿真波形仿真波形 宽长比为 4 的 NMOS 的单管仿真波形 用波形上标出的那两点根据公式 注意 VDS 应取绝对值 计算 1 2 2 1 2 1 1 1 D DS DS D W I LV V WI L 出 P 管的 0 02751 仿真得出的数据如下 subckt element 0 m1 model 0 n 33 region Saturati id 59 0529u ibs 1 220e 20 ibd 2 0137f vgs 1 0000 vds 5 0000 vbs 0 vth 649 0192m vdsat 309 2478m beta 859 8757u gam eff 703 3935m gm 286 8670u gds 9 6295u gmb 103 9145u cdtot 4 5668f cgtot 21 1318f cstot 30 6363f cbtot 20 9675f cgs 17 3549f cgd 718 6948 因为 且 所以 再直 msgDSV msg x ox W u c L m x ox GST g u c W VV L 接由公式计算出 2 04 m xox GST g uc W VV L xoxuc 4 10 宽长比为 4 的 NMOS 单管的仿真波形 用图中所标示出的两点根据公式计算出 NMOS 的 0 01647 1 2 2 1 2 1 1 1 D DS DS D W I LV V WI L 仿真得到的数据如下所示 subckt element 0 m1 model 0 p 33 region Saturati id 1 420e 04 ibs 4 877e 19 ibd 1 118e 08 vgs 2 000e 00 vds 5 000e 00 vbs 0 vth 8 475e 01 vdsat 1 001e 00 beta 2 118e 04 gam eff 3 505e 01 gm 2 039e 04 gds 2 561e 06 gmb 3 877e 05 cdtot 4 120e 15 cgtot 1 792e 14 cstot 2 563e 14 cbtot 1 661e 14 cgs 1 590e 14 cgd 5 294e 16 然后因为 且 所以 msgDSV msg x ox W u c L m x ox GST g u c W VV L 再根据公式计算出 N 管的 4 43 m xox GST g uc W VV L xoxuc 5 10 整体电路仿真的波形如下图所示 在图中可以看到中频带的增益为 40 3db fH 33 95MHZ 满足题目中的指标要求 并且面 积很小 仿真得到的参数为 subckt element 0 mp1 0 mp2 0 mn1 0 mn2 0 mn4 0 mn3 model 0 p 33 0 p 33 0 n 33 0 n 33 0 n 33 0 n 33 region Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati id 73 0477u 73 0477u 73 0477u 73 0477u 146 0953u 144 0000u ibs 4 810e 19 4 810e 19 1 316e 20 1 316e 20 6 117e 20 6 030e 20 ibd 13 6994f 13 6994f 2 1174f 2 1174f 662 8755a 393 0403a vgs 2 9234 2 9234 939 0857m 939 0857m 2 4080 2 4080 vds 2 9234 2 9234 3 0157 3 0157 4 0609 2 4080 vbs 0 0 0 0 0 0 vth 883 5904m 883 5904m 655 5127m 655 5127m 604 5963m 605 0418m vdsat 1 6748 1 6748 261 3564m 261 3564m 1 1759 1 1757 beta 41 0553u 41 0553u 1 7577m 1 7577m 131 9767u 131 9678u gam eff 350 4870m 350 4870m 703 3935m 703 3935m 703 3941m 703 3941m gm 55 2858u 55 2858u 446 9920u 446 9920u 123 6864u 121 9343u gds 3 0253u 3 0253u 1 1727u 1 1727u 1 6612u 2 0334u gmb 10 7829u 10 7829u 163 1524u 163 1524u 42 2528u 41 8515u cdtot 1 4329f 1 4329f 10 2119f 10 2119f 1 1672f 1 3546f cgtot 4 8447f 4 8447f 41 9087f 41 9087f 4 5501f 4 5512f cstot 6 2189f 6 2189f 61 6284f 61 6284f 5 9252f 5 9260f cbtot 5 5444f 5 5444f 41 7235f 41 7235f 5 4130f 5 5979f cgs 3 6486f 3 6486f 35 3279f 35 3279f 3 1121f 3 1132f cgd 115 3669a 115 3669a 1 4636f 1 4636f 125 2040a 126 3313a 5 讨论讨论 设计参数的各项对比如下 指标项设计指标计算结果仿真结果 增益带宽积 25MHz60 96MHz33 95M 增益 100120 19103 5 6 收获和建议收获和建议 本次的 IC 课程设计使我受益匪浅 大二下我们已经深入的学习过 模拟电子技术基础 和 微电子器件与 IC 设计基础 这两门课程的理论知识了 但是对于实践方面的知识我们一无所知 感谢有这门课程 使我们学会将课堂上的纯理论知识变成生活中实用的部分 我谈谈我做课设的感受吧 刚看到题目 一张图 几个指标就构成了题 目的全部时 完全不知道从何下手 然后就通过各个渠道打听我们这个题目的 用意 还好 有前人做过相关的题目 我们就仔细的找相关的资料 看到底题 目的用意是什么 通过不断的努力 我们终于了解了相关的背景知识以及理论 知识 正准备着手开始做的时候 突然发现老师要求使用的软件都是以前从来 没用到过的 于是又开始另一轮对软件的使用方法的搜索 很可惜 找不到具 体的相关知识 甚至我们在安装 viewlogic 软件时 都出现了问题 安上去以后 根本就用不了 我们只好等着第一次答疑 可是 令我们很郁闷的是 学长的 软件使用知识是准备第二次答疑才讲 我们只好先搁置了 第二次答疑听了助 教的讲解后 还不是十分明白 但是助教给了我们相关的教程 毕竟是一种全 新的软件 一种全新的语言 所以我们花了很长的时间来熟练软件的使用 软 件熟悉后 我们就开始有条不紊地进行了 我们在进行胆管方阵的过程中遇到了一个问题 就是我们仿真出来的 PMOS 的沟道长度调制系数居然全是负数 我们分析了我们使用的公式 发现 它就应该是负数 因为 PMOS 的 VDS 0 而求 使用的公式是 可以看出计算是没有问题的 可是 为什么与理论值 1 2 2 1 2 1 1 1 D DS DS D W I LV V WI L 不符呢 苦恼了很久