電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)之歐陽法創(chuàng)編

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)時間：2021.03.09創(chuàng)作：歐陽法摘要在對單極放大器與差動放大器的電路中，電流源起一個大電阻的作用，但不消耗過多的電壓余度。而且，工作在飽和區(qū)的MOS器件可以當(dāng)作一個電流源。在模擬電路中，電流源的設(shè)計(jì)是基于對基準(zhǔn)電流的“復(fù)制”，前提是已經(jīng)存在一個精確的電流源可以利用。但是，這一方法可能引起一個無休止的循環(huán)。一個相對比較復(fù)雜的電路被用來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流，這個基準(zhǔn)電流再被復(fù)制，從而得到系統(tǒng)中很多電流源。而電流鏡的作用就是精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響。在典型的電流鏡中差動對的尾電流源通過一個NMOS鏡像來偏置，負(fù)載電流源通過一個PMOS鏡像來偏置。電流鏡中的所有晶體管通常都采用相同的柵長，以減小由于邊緣擴(kuò)散所產(chǎn)生的誤差。而且，短溝器件的閾值電壓對溝道長度有一定的依賴性。因此，電流值之比只能通過調(diào)節(jié)晶體管的2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09寬度來實(shí)現(xiàn)。而本題就是利用這一原理來實(shí)現(xiàn)的。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設(shè)計(jì)目標(biāo)（題目） 2\o"CurrentDocument"二、相關(guān)背景知識 4\o"CurrentDocument"1、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括： 4三、設(shè)計(jì)過程 51、電路結(jié)構(gòu) 5\o"CurrentDocument"2、主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo) 5\o"CurrentDocument"3、參數(shù)驗(yàn)證（手工推導(dǎo)） .7四、電路仿真 8\o"CurrentDocument"1、NMOS特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 8\o"CurrentDocument"2、PMOS特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 10\o"CurrentDocument"3、最小共模輸入電壓仿真 134、電流鏡負(fù)載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 1.5五、性能指標(biāo)對比 20\o"CurrentDocument"六、心得 20一、設(shè)計(jì)目標(biāo)（題目）電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)一款差分放大器，要求滿足性能指標(biāo):2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09負(fù)載電容CL1pF對管的m取4的倍數(shù)低頻開環(huán)增益＞100GBW（增益帶寬積）＞30MHz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(jì)步驟：1、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)。2、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)。3、手工推導(dǎo)上述尺寸下的差分級放大器的直流工作點(diǎn)、小信號增益、帶寬、輸入共模范圍。4、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(jì)算過程。5、一旦計(jì)算結(jié)果達(dá)到題目要求，用Hspice仿真驗(yàn)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2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09二、相關(guān)背景知識傳統(tǒng)運(yùn)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。1、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括：.直流參數(shù)：開啟電壓丫3即當(dāng)丫4$為某一固定值使Id等于一微小電流時，柵源間的電壓。.交流小信號參數(shù)：PMOS、NMOS的柵跨導(dǎo)gm：gm越大，說明器件的放大能力越強(qiáng)，可以通過設(shè)計(jì)寬長比大的圖形結(jié)構(gòu)來提高跨導(dǎo)。小信號電阻r0：r0說明了丫4$對Id的影響，是輸出特性在某一點(diǎn)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 1r?r- r.r..o2=ds2=o4=ds4=兒2ID2 入4ID4（飽和區(qū)）Gds二人nID2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09電壓增益:增益帶寬積:三、設(shè)計(jì)過程1、電路結(jié)構(gòu)整體電路如上圖。2、主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo)根據(jù)題目要求:負(fù)載電容CL=1pF低頻開環(huán)增益＞100GBW（增益帶寬積）＞30MHz因以上公式不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)和體效應(yīng)，所以理論計(jì)算和實(shí)際值會有一定誤差，因此在此將增益帶寬積提升為40MHz。由G5W=梟，得;L人>40X106得；2兀CLgm>2.51*10(/又有g(shù)m=gm2.2，F(xiàn)2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09從工藝庫得到:modelnvnnmos：+tox='1.17e-08+toxn'、+u0=3.8300000e-02得：u2xCox=6.1839x10⑷后經(jīng)仿真計(jì)算得到的u2xCox=7.8600x10（-4）選取ID2=15U得：嚴(yán)］>3.396，考慮到存在一定誤差，用］選擇10.要使MN2和MN4同時飽和，最小Vin.CM=Vdsat2+Vth4。仿真得Vdsat2=0.552V。Vth4=0.780V.得最小輸入共模電壓Vin.CM=1.332V.仿真得Vin.CM=4.5V時，增益為45db，增益帶寬積為53MHz.仍滿足要求。得輸入共模范圍大于：4.5-1.332=3.168V>3V事實(shí)上當(dāng)MN2和MN4沒有同時飽和也能達(dá)到增益和帶寬要求，輸入共模電壓Vin.CM=1.1V時，ID4=16.6u，增益為58.3db，增益帶寬積為32.1MHz。2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.093、參數(shù)驗(yàn)證（手工推導(dǎo)）根據(jù)上節(jié)的電路器件尺寸，通過手工推導(dǎo)出電路要求設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。并將計(jì)算出來的指標(biāo)與要求進(jìn)行對比。如果實(shí)際電路未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則還需返回上一節(jié)的計(jì)算和推動過程，直至所設(shè)計(jì)電路符合題目要求。為了減小面積并增大增益，PMOS的寬長比選取為1.仿真得用］=10的NMOS的入n=0.03581.嚴(yán)］=1的L' ，2PMOS的入p=0.01791gm22：K^=4.307x10（-4.故增益帶滿足題目要GBW=Jm^r=68.548MHz>30MHz,28C滿足題目要L求。Ro2||Ro4=_ 1c =1.241x106X x x^2ID2+入4ID4故Ad2;gm（以2II/4）=534.5>100.滿足要求。2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09四、電路仿真1、NMOS特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個NMOS管以二極管形式連接，如圖，其中電流I=15u,W=20U，L=2U,VDD=5V.仿真網(wǎng)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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2.END靜態(tài)仿真結(jié)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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09gds5.372e-07gmb9.836e-05cdtot1.242e-13cgtot3.438e-13cstot3.494e-13cbtot3.953e-13cgs2.619e-13cgd1.993e-14從中可得到gm=2.428e-04,和手工推導(dǎo)得到的有一定誤差。推導(dǎo)NMOS參數(shù)：由公式Gds二人nID。得入n=0.03581。2、PMOS特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個PMOS管以二極管形式連接，如圖，其中電流I=15u,W=2U,L=2U,VDD=5V.仿真網(wǎng)表：.prot.lib'E:\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt.lib2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編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靜態(tài)仿真結(jié)果:****mosfetssubcktelement0:mn1model0:nvpregionSaturati2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編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歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09從中可得到gm=2.751e-05。推導(dǎo)NMOS參數(shù)：由公式Gds=WID。得入p=0.01791。3、最小共模輸入電壓仿真電路圖：仿真網(wǎng)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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09IREFN7N1DC=30UVDDN705VC1N601P*VNN50DC=2AC=1VVNN205.dcVN050.1DICTIONARY81=N12=N23=N34=N45=N56=N67=N7GND=0*.optionsprobe.ACDEC40100100MEG.op.printVDB(N6).printI1(MN2)歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09.END波形圖：從圖中可以看出使MN2和MN4同時飽和的最小輸入共模電壓Vin.CM=1.4V。這是由于體效應(yīng)導(dǎo)致Vth提高而引起的。4、電流鏡負(fù)載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)整體電路如下圖：仿真網(wǎng)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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.097=N7GND=0.optionsprobe.ACDEC40100100MEG.op.printVDB(N6).END仿真參數(shù):****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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.09

2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.09-118.4675a-118.4675a-1.5784a-1.5684aibd2021.03.09歐陽法創(chuàng)編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 歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編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幅頻特性曲線：由圖中可以看出：增益為58.4db90.9KHz，增益帶寬積為49.8MHz。2021.03.09 歐陽法創(chuàng)編2021.03.093.2907f9.6662f10.4531f10.3411f8.4651f507.0