电流镜负载的差分放大器设计Word文档格式.docx

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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

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：

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：

MOS管等效电阻公式：

（饱和区）

Gds=λnID

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

⏹低频开环增益>

⏹GBW（增益带宽积）>

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；

>

40

得；

2.51

又有

=

（

）

从工艺库得到：

modelnvnnmos：

+tox='

1.17e-08+toxn'

、+u0=3.8300000e-02

得：

=6.1839

后经仿真计算得到的

=7.8600

选取ID2=15U得：

3.396，考虑到存在一定误差，

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>

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）

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λn=0.03581.

=1的PMOS的λp=0.01791

=4.307

.

故增益带宽积为

=68.548MHz>

30MHz，满足题目要求。

Ro2||Ro4=

=1.241

106

故

=534.5>

100.满足要求。

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

res

cap

.unprot

MN1N1N32N1N3200NVNL=2UW=20UM=4

V1I3N1N4605

I1I30N1N46N1N32DC=15U

*DICTIONARY1

*GND=0

.optionslistnodepost

.op

.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2

.END

静态仿真结果：

****mosfets

subckt

element0:

mn1

model0:

nvn

regionSaturati

id1.500e-05

ibs-3.406e-22

ibd-3.204e-17

vgs8.466e-01

vds8.466e-01

vbs0.

vth7.805e-01

vdsat7.733e-02

vod6.606e-02

beta5.205e-03

gameff8.945e-01

gm2.428e-04

gds5.372e-07

gmb9.836e-05

cdtot1.242e-13

cgtot3.438e-13

cstot3.494e-13

cbtot3.953e-13

cgs2.619e-13

cgd1.993e-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=λnID。

得λn=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.

MN100N1N7N1N9NVPL=2UW=2UM=1

V1I2N1N905

I1I3N1N9N1N7DC=15U

subckt

nvp

id-1.500e-05

ibs2.495e-18

ibd4.729e-18

vgs-2.363e+00

vds-2.363e+00

vbs2.636e+00

vth-1.387e+00

vdsat-9.069e-01

vod-9.767e-01

beta3.101e-05

gameff3.500e-01

gm2.751e-05

gds2.687e-07

gmb4.199e-06

cdtot2.382e-15

cgtot9.145e-15

cstot7.903e-15

cbtot5.428e-15

cgs8.640e-15

cgd4.210e-16

从中可得到gm=2.751e-05。

得λp=0.01791。

3、最小共模输入电压仿真

电路图：

*MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4

*MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4

MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4

MN2N6N2N30NVNL=2UW=20UM=4

MN3N1N100NVNL=2UW=2UM=1

MN4N3N100NVNL=2UW=2UM=1

MP1N4N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1

MP2N6N4N7N7NVPL=2UW=2UM=1

*VPN20DC=2AC=1V180

IREFN7N1DC=30U

VDDN705V

C1N601P

*VNN50DC=2AC=1V

VNN205

.dcVN050.1

*DICTIONARY8

*1=N1

*2=N2

*3=N3

*4=N4

*5=N5

*6=N6

*7=N7

*.optionsprobe

*.ACDEC40100100MEG

*.printVDB（N6）

.printI1（MN2）

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：

*ProjectSCH1

*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5

*Inifile:

*Options:

-h-d-n-m-z-x-c6

*Levels:

*

MN2N6N5N30NVNL=2UW=20UM=4

VPN20DC=2AC=1V180

VNN50DC=2AC=1V

.optionsprobe

.ACDEC40100100MEG

.printVDB（N6）

仿真参数：

mn10:

mn20:

mn30:

mn40:

mp10:

mp2

nvn0:

nvp0:

regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati

id14.9973u14.9973u30.0000u29.9946u-14.9973u-14.9973u

ibs-62.7640a-62.7640a-6.811e-22-6.810e-227.626e-227.626e-22

ibd-118.4675a-118.4675a-1.5784a-1.5684a1.7675a1.7675a

vgs1.34131.34131.66921.6692-1.8692-1.8692

vds1.47211.47211.66921.6587-1.8692-1.8692

vbs-1.6587-1.65870.0.0.0.

vth1.29251.2925794.5766m794.5766m-918.3170m-918.3170m

vdsat86.2818m86.2818m552.1671m552.1672m-789.0672m-789.0672m

vod48.8124m48.8124m874.6499m874.6499m-950.9270m-950.9270m

beta5.2105m5.2105m120.4712u120.4712u36.7421u36.7421u

gameff931.2989m931.2989m894.5246m894.5246m384.0554m384.0554m

gm258.9827u258.9827u63.4382u63.4239u28.2039u28.2039u

gds309.2459n309.2459n507.9654n514.2709n374.3018n374.3018n

gmb60.6327u60.6327u22.3853u22.3807u7.0591u7.0591u

cdtot104.0761f104.0761f3.2886f3.2907f2.9936f2.9936f

cgtot311.6988f311.6988f9.6670f9.6662f9.5160f9.5160f

cstot281.7321f281.7321f10.4530f10.4531f10.0473f10.0473f

cbtot279.6288f279.6288f10.3382f10.3411f8.5988f8.5988f

cgs243.5613f243.5613f8.4651f8.4651f8.9649f8.9649f

cgd20.4390f20.4390f507.8724a507.0131a422.0242a422.0242a

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

开环增益

GBW

ID

W/L

题目要求

理论值

534.50

68.548MHz

15u（单边）

10（对管）

1（其它）

仿真值

831.76

49.800MHz

六、心得

本次的课程设计让我收获甚多。

由于之前有个比赛要参加，所以因赶进度，耽误了本次课程设计。

直到比赛完后才开始本次的课程设计，但那时别的组别都提交完了，心里感到很对不住老师。

回来后正好赶上别的组别讲解他们的设计，吸取了各队的优点，注意到该注意的地方，为接下来三天的设计打下了重要的基础。

在此要感谢各个组别。

由于听取了其它组别的讲解，刚开始就对本次的课程设计有了一定的思路。

刚开始由于之前听有个组别能做到ID=2u，对管宽长比好像为1:

4.所以我开始设定的ID为1u，后来发现由于增益带宽积限定了gm，而且

，将上面的数据代入，得到的gm远远达不到所要的数值。

为了得到较大的gm，有两个方法，一是增大宽长比，二是增大ID。

开始时为了降低功耗，想通过增大宽长比来增大gm，但通过仿真发现当宽长比达到一定数值时，gm增大变得不再明显，所以不得以将ID增大到15u，宽长比选取为10，才获得所想要的数值。

后来发现其它MOSFET对性能指标都不起作用，而且由于Ro2||Ro4=

，可以通过降低λp来提高增益，同时也为了降低面积，将其它的MOSFET宽长比选取为1:

1.

由于本次课程设计的时间较短，因此还有很多做得不足的地方。

比如由结果得仿真的gm大概只有理论计算得到的gm的一半，这在实际的设计中是很不利的，因此想对上面的公式进行修正，但由于时间有限等原因，最终没有进行修正。

不管怎样说，本次课程设计让我学到了不少知识，在此感谢老师。