模电设计电流镜负载的差分放大器.docx
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模电设计电流镜负载的差分放大器
模拟集成电路课程设计报告
电流镜负载的差分放大器
摘要:
差分放大器是最重要的电路发明之一,它可以追溯到真空管时代。
有于差动放大具有很多有用的特性,像对差模输入信号的放大作用和对共模输入信号的抑制作用,所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。
电流源在差分放大器中广泛应用,电流源起一个大电阻的作用,但不消耗过多的电压余度。
在模拟电路中,电流源的设计是基于对基准电流的“复制”,稳定的基准电流则由一个相对复杂的电路来产生。
在电流镜中,只需调整MOS管的W/L就能获得不同的、精确的复制电流。
在本课程设计中,将根据典型电流镜负载差动对中,增益、带宽与MOS管W/L之间的关系,获得满足要求的放大器。
一.设计目标
二.单个MOS管的的特性
2.1、NMOS特性仿真
-1-
-2-
-2-
2.2、PMOS特性仿真-4-
三.电路设计与参数推导-6-
3.1电路设计:
-6-
3.2手工推导参数-7-
四.差分放大器仿真-9-
4.1、HSPICE仿真:
-9-
4.2、器件参数修改-10-
4.3仿真波形-12-
4.2、共模电平的范围:
-13-
4.3数据对比-16-
五.总结-17-
一.设计目标设计一款差分放大器,要求满足性能指标:
负载电容CL1pF
VDD5V
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:
-1-
.单个MOS管的的特性
MOS管是金属(metal)
氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)你
场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。
MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的
N型区。
在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。
这样的器件被认为是对称的。
2.1、NMOS特性仿真
电路图如下:
HSPICE仿真:
*ProjectNMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
*
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
M1I1
VD
VB
00NVNL=1UW=10UM=1
VBS
VB
0
1
VDS
VD
0
5
*DICTIONARY1
*GND=0.optionspostlist.dcVDS050.1.op.printi1(M1I1).END仿真波形:
仿真得出的数据:
subckt
element0:
m1i1
model
0:
nvn
region
Saturati
id
18.6184u
ibs
-4.227e-22
ibd
-23.6496a
vgs
1.0000
vds
5.0000
vbs
0.
vth
830.1150m
vdsat
125.6460m
vod
169.8850m
beta
1.4749m
gameff
894.5056m
gm
192.1882u
gds
1.2418u
gmb
72.1958u
cdtot
12.5800f
cgtot
24.0149f
cstot
31.6174f
cbtot
34.8211f
cgs
18.4311f
cgd
2.8784f
参数计算:
ID21nCox(WL)(VGSVTH)(21+nVDS)
ID
VDS
12nCox(WL)(VGSVTH)2n
由仿真结果可以算出:
n=0.035
2.2、PMOS特性仿真
电路图如下:
HSPICE仿真:
*ProjectPMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
VDDNVPL=1UW=10UM=1
.unprot
M1I1VDSVGSVDD
V1I2VGS04
V1I3VDS05
V1I4VDD05
*DICTIONARY1
*GND=0
.optionspostlist
.dcV1I3050.1*V1I23.550.1
.op
.printi1(M1I1)
.END
仿真得出的数据:
subckt
element0:
m1i1
model
0:
nvp
region
Linear
id
0.
ibs
0.
ibd
0.
vgs
-1.0000
vds
0.
vbs
0.
vth
-899.3391m
vdsat
-136.0660m
vod
-100.6609m
beta
471.1383u
gameff
384.0716m
gm
0.
gds
46.9930u
gmb
0.
cdtot
29.4825f
cgtot
30.8144f
cstot
30.3463f
cbtot
40.6913f
cgs
17.7584f
cgd
12.8808f
参数计算:
1W2ID2pCox(L)(VGSVTH)(1+pVDS)
ID
VDS
1W2
12nCox(WL)(VGSVTH)p
由仿真结果可以得出p=0.0729
三.电路设计与参数推导
3.1电路设计:
3.2手工推导参数
n0.035,VTH0.7231,tox1.17108,n=3.830010-2
p0.0729,VTH0.906,tox1.2108,n=2.43342410-2由库文件可以得到上述除了λn、λp外的器件参数,λn、λp可以由mos管的仿真得到。
0si3
Cox0si=2.95103oxtox
由性能指标低频开环增益>100,GBW(增益带宽积),CL=1pf可
AVgm(ro2//ro4)100
GBWgm30106
2CL
求得gm22CL301061.8849104
我们设计中取gm23104。
0.1079
ID2CL3010417.469106A
AVgm(ro2//ro4)gm2100
另一方面(np)ID
求得ID27.8106A。
17.469mAID27.8mA。
因此ID可取的范围为
所以我们取单边电流ID=25mA。
忽略沟长调制效应,
W15.931求得L15.931
这里我们取L
(W)1216
下一步应该确定M3,M4,M5,M6的宽长比。
由ID2CoxL(VGSVTH)(1VDS)可得
W2ID2ID
取负载管M3,M4的过驱动电压
W
Vod=300mV可得(L)347.739
这里我们取L
(W)34
同理取电流源管
M5,M6的
过驱动电压Vod=500mV可得
343.540
这里我们取(WL)56
AVgm(ro2//ro4)2nCoxIDWL(np)ID
VincomMINVGS1Vod60.72310.20.51.4231
VincomMAX5VVGS3VTH15(0.9060.3)0.72314.5171
理论共模输入电平范围最大值为V=4.5171-1.4231=3.0940V
四.差分放大器仿真
电流源负载的差分放大器整体电路图:
4.1、HSPICE仿真:
*ProjectDC_NMOS
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprotcoutvout01pf
M3M3dg-M4g-M1dM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M4voutM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M1M3dg-M4g-M1din1M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=1s
M2voutin2M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=1
M6M1s-M2s-M6dM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
M5M6g-M5dgM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
V1vdd05V
I10M6g-M5dgDC=50uA
Vin1in202.5Vac=0.5v
Vin2in102.5Vac=0.5v180*DICTIONARY1
*GND=0.OPTIONSPROBE
.OP
.dcV1050.1
.acdec101k100meg.optionslistnodepost.printacvdb(vout).end
4.2、器件参数修改仿真后波形图如图所示:
发现波形锁呈现出来的增益带宽积为43.1M,已经达到题目的要求,但是低频开环增益
为39.6db左右,即放大倍数小于100倍,达不到题目要求,所以尝试加大M1,M2的M值,因为题目要求对管的m为4的倍数,所以各自增大到4.
修改后的hspice仿真如下:
*ProjectDC_NMOS
-10-
*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.5
*Inifile:
*Options:
-h-d-n-m-z-x-c6
*Levels:
.prot
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'tt
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'res
.lib'D:
\ePD\05model\05model\h05hvcddtt09v01.lib'cap
.unprot
coutvout01pf
M=1
M=4
M3M3dg-M4g-M1dM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8U
M4voutM3dg-M4g-M1dvddvddNVPL=1UW=8UM=1
M1M3dg-M4g-M1din1M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16U
M2voutin2M1s-M2s-M6d0NVNL=1UW=16UM=4
M6M1s-M2s-M6dM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
M5M6g-M5dgM6g-M5dg00NVNL=1UW=4UM=1
V1vdd05V
I10M6g-M5dgDC=50uA
Vin1in202.5Vac=0.5v
Vin2in102.5Vac=0.5v180*DICTIONARY1
*GND=0.OPTIONSPROBE
.OP
.dcV1050.1
.acdec101k100meg.optionslistnodepost.printacvdb(vout).end
-11-
4.3仿真波形
图中明显能看出放大器的单位增益带宽超过42db即放大倍数有125.89,同时带宽也增大了,增大为59.1M,明显已经满足设计中的带宽和增益的要求。
仿真的.lis文件部分数据如下:
tnom=25.000temp=25.000
*projectdc_nmos******acanalysis
x
-12-
31.62278k
42.3151
39.81072k
42.3039
50.11872k
42.2862
63.09573k
42.2583
79.43282k
42.2144
100.00000k
42.1458
125.89254k
42.0392
158.48932k
41.8754
199.52623k
41.6279
251.18864k
41.2625
316.22777k
40.7397
398.10717k
40.0218
501.18723k
39.0824
630.95734k
37.9154
794.32823k
36.5373
1.00000x
34.9810
1.25893x
33.2862
1.58489x
31.4904
1.99526x
29.6242
2.51189x
27.7107
3.16228x
25.7658
3.98107x
23.8006
5.01187x
21.8219
6.30957x
19.8342
7.94328x
17.8402
10.00000x
15.8412
12.58925x
13.8372
15.84893x
11.8275
19.95262x
9.8101
25.11886x
7.7813
31.62278x
5.7356
39.81072x
3.6643
50.11872x
1.5548
63.09573x
-609.6717m
79.43282x
-2.8499
100.00000x
-5.1871
4.4、共模电平的范围:
则在上面的hspice语言中最后的修改如下:
.OPTIONSPROBE
.OP
*.dcVin1050.1
*.printacvM(vout)
.printi1(M3)
-13-
.optionslistnodepost
.END
出来的波形如下:
Vincom=Vgsm1+Vdsm6=1.6V时仿真得到的数据
可以看出当输入共模电平达到1.6V时所有的MOS管已处于饱和状态。
输出电流基本比较接近25mA了。
以下数据是当共模输入电平为****mosfetssubckt
element
0:
m3
0:
m4
0:
m1
0:
m2
0:
m6
0:
m5
model
0:
nvp
0:
nvp
0:
nvn
0:
nvn
0:
nvn
0:
nvn
region
Saturati
SaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id
-23.3008u
-23.3008u
23.3008u
23.3008u
46.6016u
50.0000u
ibs
1.185e-21
1.185e-21
-16.2402a-
16.2402a-1.058e-21-1.135e-21
ibd
4.6881a
4.6881a-
113.8455a-113.8455a-
1.0139a-2.5571a
vgs
-1.2392
-1.2392
1.0635
1.0635
1.3521
1.3521
vds
-1.2392
-1.2392
3.2243
3.2243
536.4570m
1.3521
vbs
0.
0.
-536.4570m-536.4570m
0.
0.
vth
-898.4776m-898.4776m
1.0202
1.0202
840.6927m
839.6145m
vdsat
-325.6130m-
325.6130m
71.2561m
71.2561m
310.9569m
311.4916m
vod
-340.7521m
-340.7521m
43.3089m
43.3089m
511.4315m512.5097m
beta
359.5878u
359.5878u
9.5044m
9.5044m
576.1957u
576.2126u
gameff
384.0653m
384.0653m
908.7034m
908.7034m
894.5198m894.5210m
gm
119.6053u
119.6053u
402.3115u
402.3115u
159.6314u
174.0003u
gds
2.0864u
2.0864u
990.6995n
990.6995n
8.9999u
2.0796u
gmb
29.2127u
29.2127u
120.0342u
120.0342u
56.6258u
61.4295u
cdtot
11.5100f
11.5100f
83.0119f
83.0119f
7.0004f
6.2662f
cgtot
20.3759f
20.3759f
131.8157f131.8157f
9.6359f
9.6096f
cstot
26.4459f
26.4459f
163.4455f163.4455f13.1528f13.1500f
-14-
cbtot
28.1764f
28.1764f
199.0483f
199.0483f
16.2186f
15.5264f
cgs
17.7019f
17.7019f
91.4478f
91.4478f
7.7484f
7.7420f
cgd
1.6795f
1.6795f
18.1567f
18.1567f
1.0386f
1.0019f
Vincom=Vgsm1+Vdsm6=5V时仿真得到数据:
以下数据时当共模输入电平为
M1,M2的
****mosfets
subckt
element
0:
m3
0:
m4
0:
m1
0:
m2
0:
m6
0:
m5
model
0:
nvp
0:
nvp
0:
nvn
0:
nvn
0:
nvn
0:
nvn
region
Saturati
SaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id
-26.0692u
-26.0692u
26.0692u
26.0692u
52.1384u
50.0000u
ibs
1.326e-21
1.326e-21
-24.5995a-24.5995a-1.184e-21-1.135e-21
ibd
4.7720a
4.7720a
-28.2928a
-28.2928a
-6.1486a
-2.5571a
vgs
-1.2614
-1.2614
1.7496
1.7496
1.3521
1.3521
vds
-1.2614
-1.2614
488.1626m
488.1626m
3.2504
1.3521
vbs
0.
0.
-3.2504
-3.2504
0.
0.
vth
-898.4814m-898.4814m
1.6066
1.6066
837.0766m
839.6145m
vdsat
-343.1824m-
343.1824m
144.8909m
144.8909m
312.7809m
311.4916m
vod
-362.9668m-362.9668m
142.9751m
142.9751m
515.0476m512.5097m
beta
358.2060u
358.2060u
2.3586m
2.3586m
576.2513u
576.2126u
gameff
384.0646m
384.0646m
955.8307m
955.8307m
894.5218m894.5210m
gm
125.7337u
125.7337u
289.6421u
289.6421u
180.5302u
174.0003u
gds
2.2816u
2.2816u
4.1017u
4.1017u
764.2799n
2.0796u
gmb
30.7391u
30.7391u
45.7557u
45.7557u
63.5969u
61.4295u
cdtot
11.4719f
11.4719f
20.1149f
20.1149f
5.6403f
6.2662f
cgtot
20.3750f
20.3750f
35.3235f
35.3235f
9.7477f
9.6096f
cstot
26.4458f
26.4458f
37.8057f
37.8057f
13.1491f13.1500f
cbtot
28.1257f
28.1257f
40.1024f
40.1024f
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