电流镜负载的差分放大器设计之欧阳法创编

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09电流镜负载的差分放大器设计时间：2021.03.09创作：欧阳法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2021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09宽度来实现。而本题就是利用这一原理来实现的。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、设计目标（题目） 2\o"CurrentDocument"二、相关背景知识 4\o"CurrentDocument"1、单个MOSTFET的主要参数包括： 4三、设计过程 51、电路结构 5\o"CurrentDocument"2、主要电路参数的手工推导 5\o"CurrentDocument"3、参数验证（手工推导） .7四、电路仿真 8\o"CurrentDocument"1、NMOS特性仿真及参数推导 8\o"CurrentDocument"2、PMOS特性仿真及参数推导 10\o"CurrentDocument"3、最小共模输入电压仿真 134、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 1.5五、性能指标对比 20\o"CurrentDocument"六、心得 20一、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:2021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09负载电容CL1pF对管的m取4的倍数低频开环增益＞100GBW（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2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09二、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MOSTFET的主要参数包括：.直流参数：开启电压丫3即当丫4$为某一固定值使Id等于一微小电流时，栅源间的电压。.交流小信号参数：PMOS、NMOS的栅跨导gm：gm越大，说明器件的放大能力越强，可以通过设计宽长比大的图形结构来提高跨导。小信号电阻r0：r0说明了丫4$对Id的影响，是输出特性在某一点上切线斜率的倒数。.相关公式：电流公式：MOS管等效电阻公式：1 1r〜r- r.r..o2=ds2=o4=ds4=儿2ID2 入4ID4（饱和区）Gds二人nID2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09电压增益:增益带宽积:三、设计过程1、电路结构整体电路如上图。2、主要电路参数的手工推导根据题目要求:负载电容CL=1pF低频开环增益＞100GBW（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G5W=枭，得;L人>40X106得；2兀CLgm>2.51*10(/又有gm=gm2.2，F2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09从工艺库得到:modelnvnnmos：+tox='1.17e-08+toxn'、+u0=3.8300000e-02得：u2xCox=6.1839x10⑷后经仿真计算得到的u2xCox=7.8600x10（-4）选取ID2=15U得：严］>3.396，考虑到存在一定误差，用］选择10.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。2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.093、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.仿真得用］=10的NMOS的入n=0.03581.严］=1的L' ，2PMOS的入p=0.01791gm22：K^=4.307x10（-4.故增益带满足题目要GBW=Jm^r=68.548MHz>30MHz,28C满足题目要L求。Ro2||Ro4=_ 1c =1.241x106X x x^2ID2+入4ID4故Ad2;gm（以2II/4）=534.5>100.满足要求。2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09四、电路仿真1、NMOS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.unprotMN1N1N32N1N3200NVNL=2UW=20UM=4V1I3N1N4605I1I30N1N46N1N32DC=15UDICTIONARY1GND=0.optionslistnodepost.op2021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2.END静态仿真结果:****mosfetssubcktelement0:mn1model0:nvnregionSaturatiid1.500e-05ibs-3.406e-22ibd-3.204e-17vgs8.466e-01vds8.466e-01vbs0.vth7.805e-01vdsat7.733e-02vod6.606e-02beta5.205e-03gameff8.945e-01gm2.428e-042021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09gds5.372e-07gmb9.836e-05cdtot1.242e-13cgtot3.438e-13cstot3.494e-13cbtot3.953e-13cgs2.619e-13cgd1.993e-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二人nID。得入n=0.03581。2、PMOS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.lib2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res.lib'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap.unprotMN10 0N1N7N1N9NVPL=2UW=2UM=1V1I2N1N905I1I3N1N9N1N7DC=15UDICTIONARY1GND=0.optionslistnodepost.op.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2.END静态仿真结果:****mosfetssubcktelement0:mn1model0:nvpregionSaturati2021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09id-1.500e-05ibs2.495e-18ibd4.729e-18vgs-2.363e+00vds-2.363e+00vbs2.636e+00vth-1.387e+00vdsat-9.069e-01vod-9.767e-01beta3.101e-05gameff3.500e-01gm2.751e-05gds2.687e-07gmb4.199e-06cdtot2.382e-15cgtot9.145e-15cstot7.903e-15cbtot5.428e-15cgs8.640e-15cgd4.210e-16欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09从中可得到gm=2.751e-05。推导NMOS参数：由公式Gds=WID。得入p=0.01791。3、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 N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4*MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4MN2N6N2N30NVNL=2UW=20UM=4MN3N1N100NVNL=2UW=2UM=1MN4N3N100NVNL=2UW=2UM=1MP1N4N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1MP2N6N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1*VPN20DC=2AC=1V1802021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09IREFN7N1DC=30UVDDN705VC1N601P*VNN50DC=2AC=1VVNN205.dcVN050.1DICTIONARY81=N12=N23=N34=N45=N56=N67=N7GND=0*.optionsprobe.ACDEC40100100MEG.op.printVDB(N6).printI1(MN2)欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09.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整体电路如下图：仿真网表：ProjectSCH1InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5Inifile:Options:-h-d-n-m-z-x-c6Levels:*.prot.lib'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt.lib'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res.lib'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap.unprot2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.09MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4MN3N1N100NVNL=2UW=2UM=1MN4N3N100NVNL=2UW=2UM=1MP1N4N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1MP2N6N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1VPN20DC=2AC=1V180IREFN7N1DC=30UVDDN705VC1N601PVNN50DC=2AC=1VDICTIONARY81=N12=N23=N34=N45=N56=N62021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09欧阳法创编2021.03.097=N7GND=0.optionsprobe.ACDEC40100100MEG.op.printVDB(N6).END仿真参数:****mosfetssubcktelement0:mn1 0:mn2 0:mn3 0:mn40:mp1 0:mp2model0:nvn0:nvn0:nvn0:nvn0:nvp0:nvpregionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiid14.9973u14.9973u30.0000u29.9946u-14.9973u-14.9973uibs-62.7640a-62.7640a-6.811e-22-6.810e-227.626e-227.626e-222021.03.09 欧阳法创编2021.03.09

2021.03.09欧阳法创编2021.03.09-118.4675a-118.4675a-1.5784a-1.5684aibd2021.03.09欧阳法创编2021.03.09-118.4675a-118.4675a-1.5784a-1.5684aibd1.7675a1.7675avgs 1.3413 1.34131.8692 -1.8692vds 1.4721 1.47211.8692 -1.8692vbs -1.6587 -1.6587vth 1.2925 1.2925918.3170m-918.3170mvdsat 86.2818m1.6692 1.6692 -1.6692 1.6587 -0. 0. 0. 0.794.5766m794.5766m-86.2818m 552.1671m552.1672m-789.0672m-789.0672mvod48.8124m48.8124m874.6499m874.6499m-950.9270m-950.9270mbeta5.2105m5.2105m120.4712u120.4712u36.7421u36.7421ugameff931.2989m 931.2989m 894.5246m894.5246m384.0554m384.0554mgm258.9827u258.9827u63.4382u63.4239u28.2039u28.2039ugds309.2459n309.2459n507.9654n514.2709n2021.03.09 欧阳法创编2021.03.092021.03.09欧阳法创编2021.03.09374.3018n374.3018n60.6327u60.6327u22.3853u22.3807ugmb7.0591ucdtot2.9936fcgtot9.5160fcstot10.0473fcbtot8.5988fcgs8.9649fcgd7.0591u104.0761f2.9936f311.6988f9.5160f281.7321f10.0473f279.6288f8.5988f243.5613f8.9649f20.4390f104.0761f311.6988f281.7321f279.6288f243.5613f20.4390f3.2886f9.6670f10.4530f10.3382f8.4651f507.8724a422.0242a422.0242a幅频特性曲线：由图中可以看出：增益为58.4db90.9KHz，增益带宽积为49.8MHz。2021.03.09 欧阳法创编2021.03.093.2907f9.6662f10.4531f10.3411f8.4651f507.0