电流镜负载的差分放大器设计.docx
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电流镜负载的差分放大器设计.docx
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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之马矢奏春创作
创作时间:
贰零贰壹年柒月贰叁拾日
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,但不必耗过多的电压余度。
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发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取相同的栅长,以减小由于边沿扩散所发生的误差。
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)
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
●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
设计步调:
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,偏重复上述计算过程。
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,则返回步调2,直至符合要求
二、相关布景知识
传统运算放大器的输入级一般都采取电流镜负载的差分对。
如下图所示。
1、单个MOSTFET的主要参数包含:
:
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。
:
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>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;
>40
得;
又有
=
(
)
从工艺库得到:
modelnvnnmos:
+tox='1.17e-08+toxn'、
得:
=
后经仿真计算得到的
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V=Vdsat2+Vth4。
仿真得Vdsat2V。
Vth4=0.780V.得最小输入共模电压V=1.332V.
仿真得V=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V=V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λ.
=1的PMOS的λ
.
故增益带宽积为
=68.548MHz>30MHz,满足题目要求。
Ro2||Ro4=
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
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'E:
\viewlogic\05model\h05hvcddtt09v01.lib'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
vbs0.
从中可得到gm=,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.
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
MN100N1N7N1N9NVPL=2UW=2UM=1
V1I2N1N905
I1I3N1N9N1N7DC=15U
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionslistnodepost
.op
.OPTIONSINGOLD=2CSDF=2
.END
静态仿真结果:
****mosfets
subckt
element0:
mn1
model0:
nvp
regionSaturati
vgs-2.363e+00
vds-2.363e+00
vbs2.636e+00
vth-1.387e+00
从中可得到gm=。
推导NMOS参数:
由公式Gds=λnID。
得λp=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
*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
*DICTIONARY8
*1=N1
*2=N2
*3=N3
*4=N4
*5=N5
*6=N6
*7=N7
*GND=0
*.optionsprobe
*.ACDEC40100100MEG
.op
*.printVDB(N6)
.printI1(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V=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:
*ProjectSCH1
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion
*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
MN1N4N2N30NVNL=2UW=20UM=4
MN2N6N5N30NVNL=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
*DICTIONARY8
*1=N1
*2=N2
*3=N3
*4=N4
*5=N5
*6=N6
*7=N7
*GND=0
.optionsprobe
.ACDEC40100100MEG
.op
.printVDB(N6)
.END
仿真参数:
****mosfets
subckt
element0:
mn10:
mn20:
mn30:
mn40:
mp10:
mp2
model0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvn0:
nvp0:
nvp
regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
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.
幅频特性曲线:
由图中可以看出:
增益为58.4db,3db带宽为KHz,增益带宽积为MHz。
五、性能指标对比
开环增益
GBW
ID
W/L
题目要求
>100
>30MHz
理论值
15u(单边)
10(对管)
1(其它)
仿真值
00MHz
六、心得
本次的课程设计让我收获甚多。
由于之前有个角逐要介入,所以因赶进度,耽误了本次课程设计。
直到角逐完后才开始本次的课程设计,但那时此外组别都提交完了,心里感到很对不住老师。
回来后正好赶上此外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。
由于听取了其它组此外讲解,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,因此还有很多做得缺乏的地方。
比方由结果得仿真的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晦气的,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很多知识,在此感谢老师。
创作时间:
贰零贰壹年柒月贰叁拾日
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- 电流 负载 差分放大器 设计