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 工作在饱和区的 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 受工艺和温度的影响 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 一 设计目标 题目 3 二 相关背景知识 4 1 单个 MOSTFET 的主要参数包括 4 三 设计过程 5 1 电路结构 5 2 主要电路参数的手工推导 6 3 参数验证 手工推导 7 四 电路仿真 7 1 NMOS 特性仿真及参数推导 7 2 PMOS 特性仿真及参数推导 10 3 最小共模输入电压仿真 13 4 电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 15 五 性能指标对比 18 六 心得 18 一 设计目标 题目 一 设计目标 题目 电流镜负载的差分放大器 设计一款差分放大器 要求满足性能指标 负载电容pFCL1 VVDD5 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 参考电路图如下图所示 设计步骤 1 仿真单个 MOS 的特性 得到某 W L 下的 MOS 管的小信号输出电阻和跨导 2 根据上述仿真得到的器件特性 推导上述电路中的器件参数 3 手工推导上述尺寸下的差分级放大器的直流工作点 小信号增益 带宽 输 入共模范围 4 如果增益和带宽不符合题目要求 则修改器件参数 并重复上述计算过程 5 一旦计算结果达到题目要求 用 Hspice 仿真验证上述指标 如果仿真得到的增益和带宽不符合要求 则返回步骤 2 直至符合要求 二 相关背景知识二 相关背景知识 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 如下图所示 1 单个 单个 MOSTFET 的主要参数包括 的主要参数包括 1 直流参数 开启电压Vt 即当Vds为某一固定值使Id等于一微小电流时 栅源间的电压 2 交流小信号参数 PMOS NMOS的栅跨导 g m g m 越大 说明器件的放大能力越强 可以 通过设计宽长比大的图形结构来提高跨导 小信号电阻 r0 r0 说明了Vds对Id的影响 是输出特性在某一点上切线 斜率的倒数 3 相关公式 电流公式 2 DnOXGSTH 1 IC VV1 2 DS W V L MOS 管等效电阻公式 饱和区 22 22 1 ods D rr I 44 44 1 ods D rr I Gds nID 电压增益 2 2 4 vdmdsdsAg rr 增益带宽积 2 m L g GBW C 三 设计过程三 设计过程 1 电路结构 电路结构 整体电路如上图 2 主要电路参数的手工推导 主要电路参数的手工推导 根据题目要求 负载电容pFCL1 低频开环增益 100 GBW 增益带宽积 30MHz 因以上公式不考虑沟道长度调制效应和体效应 所以理论计算和实际值 会有一定误差 因此在此将增益带宽积提升为 40MHz 由 得 2 m L g GBW C 40 得 2 m L g C 6 10 2 51 mg 4 10 又有 mg2222mDgK I 2 2x 2 2 ox W u C k L 从工艺库得到 model nvn nmos tox 1 17e 08 toxn u0 3 8300000e 02 得 6 1839 2xoxu C 4 10 后经仿真计算得到的 7 8600 2xoxu C 4 10 选取ID2 15U 得 3 396 考虑到存在一定误差 选择10 2 W L 2 W L 要使MN2和MN4同时饱和 最小Vin CM Vdsat2 Vth4 仿真得 Vdsat2 0 552V Vth4 0 780V 得最小输入共模电压Vin CM 1 332V 仿真得Vin CM 4 5V时 增益为45db 增益带宽积为53MHz 仍满足要求 得输入共模范围大于 4 5 1 332 3 168V 3V 事实上当MN2和MN4没有同时饱和也能达到增益和带宽要求 输入共 模电压Vin CM 1 1V时 ID4 16 6u 增益为58 3db 增益带宽积为32 1MHz 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 为了减小面积并增大增益 PMOS 的宽长比选取为 1 仿真得 10的NMOS的 n 0 03581 1的PMOS的 p 0 01791 2 W L 2 W L 4 307 2222mDgK I 4 10 故增益带宽积为 68 548MHz 30MHz 满足题目要 2 m L g GBW C 求 Ro2 Ro4 1 241 106 2244 1 DDII 故 534 5 100 满足要求 2 2 4 vdmdsdsAg rr 四 电路仿真四 电路仿真 1 NMOS 特性仿真及参数推导特性仿真及参数推导 单个NMOS管以二极管形式连接 如图 其中电流 I 15u W 20U L 2U VDD 5V 仿真网表 prot lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib tt lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib res lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib cap unprot MN1 N1N32 N1N32 0 0 NVN L 2U W 20U M 4 V1I3 N1N46 0 5 I1I30 N1N46 N1N32 DC 15U DICTIONARY 1 GND 0 options list node post op OPTIONS INGOLD 2 CSDF 2 END 静态仿真结果 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 从中可得到gm 2 428e 04 和手工推导得到的有一定误差 推导NMOS参数 由公式 Gds nID 得 n 0 03581 2 PMOS 特性仿真及参数推导特性仿真及参数推导 单个PMOS管以二极管形式连接 如图 其中电流 I 15u W 2U L 2U VDD 5V 仿真网表 prot lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib tt lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib res lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib cap unprot MN1 0 0 N1N7 N1N9 NVP L 2U W 2U M 1 V1I2 N1N9 0 5 I1I3 N1N9 N1N7 DC 15U DICTIONARY 1 GND 0 options list node post op OPTIONS INGOLD 2 CSDF 2 END 静态仿真结果 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 从中可得到gm 2 751e 05 推导NMOS参数 由公式 Gds nID 得 p 0 01791 3 最小共模输入电压仿真 最小共模输入电压仿真 电路图 仿真网表 prot lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib tt lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib res lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 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 4 MN1 N4 N2 N3 0 NVN L 2U W 20U M 4 MN2 N6 N2 N3 0 NVN L 2U W 20U M 4 MN3 N1 N1 0 0 NVN L 2U W 2U M 1 MN4 N3 N1 0 0 NVN L 2U W 2U M 1 MP1 N4 N4 N7 N7 NVP L 2U W 2U M 1 MP2 N6 N4 N7 N7 NVP L 2U W 2U M 1 VP N2 0 DC 2 AC 1V 180 IREF 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 波形图 从图中可以看出使 MN2 和 MN4 同时饱和的最小输入共模电压 Vin CM 1 4V 这 是由于体效应导致 Vth 提高而引起的 4 电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 整体电路如下图 仿真网表 Project SCH1 Innoveda Wirelist Created with Version 6 3 5 Inifile Options h d n m z x c6 Levels prot lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib tt lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 lib res lib E viewlogic 05model h05hvcddtt09v01 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 4 MN3 N1 N1 0 0 NVN L 2U W 2U M 1 MN4 N3 N1 0 0 NVN L 2U W 2U M 1 MP1 N4 N4 N7 N7 NVP L 2U W 2U M 1 MP2 N6 N4 N7 N7 NVP L 2U W 2U M 1 VP N2 0 DC 2 AC 1V 180 IREF 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 仿真参数 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 幅频特性曲线 由图中可以看出 增益为 58 4db 3db 带宽为 90 9KHz 增益带宽积为 49 8MHz 五 性能指标对比五 性能指标对比 开环增益GBWIDW