電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)教材

1、電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)摘要在對(duì)單極放大器與差動(dòng)放大器的電路中， 電流源起一個(gè)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(gè)電流源。在模擬電路中，電流源的設(shè)計(jì)是基于對(duì)基準(zhǔn)電流的“復(fù)制” ，前提是已經(jīng)存 在一個(gè)精確的電流源可以利用。但是， 這一方法可能引起一個(gè)無休止的循環(huán)。 一 個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的電路被用來產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流，這個(gè)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(dòng)對(duì)的尾電流源通過一個(gè) NMOS 鏡像來 偏置，負(fù)載電流源通過一個(gè) PMOS 鏡像來偏置。電流鏡中的

2、所有晶體管通常都 采用相同的柵長(zhǎng)，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(duì)溝道長(zhǎng)度有一定的依賴性。 因此，電流值之比只能通過調(diào)節(jié)晶體管的寬度來 實(shí)現(xiàn)。而本題就是利用這一原理來實(shí)現(xiàn)的。一、設(shè)計(jì)目標(biāo)（題目） 3二、相關(guān)背景知識(shí) 41、單個(gè) MOSTFET 的主要參數(shù)包括： 4三、設(shè)計(jì)過程 51、電路結(jié)構(gòu) 52、主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo) 63、參數(shù)驗(yàn)證（手工推導(dǎo)） 7四、電路仿真 71、NMOS 特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 72、PMOS 特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 103、最小共模輸入電壓仿真 124、電流鏡負(fù)載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo) 14五、性能指標(biāo)對(duì)比 18六、心得 18、設(shè)計(jì)目標(biāo)

3、（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)：負(fù)載電容 CL 1pFVDD 5V 對(duì)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(gè) MOS 的特性，得到某 W/L 下的 MOS 管的小信號(hào)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(jí)放大器的直流工作點(diǎn)、小信號(hào)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

4、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、相關(guān)背景知識(shí)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對(duì)。如下圖所示1 、單個(gè) MOSTFET 的主要參數(shù)包括：1. 直流參數(shù) ：開啟電壓 Vt ，即當(dāng)Vds為某一固定值使 Id等于一微小電流時(shí)，柵源間的電壓。2. 交流小信號(hào)參數(shù) ：PMO、S NMO的S柵跨導(dǎo) g m ： g m 越大，說明器件的放大能力越強(qiáng)，可以通 過設(shè)計(jì)寬長(zhǎng)比大的圖形結(jié)構(gòu)來提高跨導(dǎo)。小信號(hào)電阻 r0 ： r0 說明了 Vds對(duì)Id 的影響，是輸出特性在某一點(diǎn)上切線 斜率的倒數(shù)。3.相關(guān)公式 ：電流公式：21VDSID 1 nCOX (W) V

5、GS VTH D 2 n OX L GS THMOS管等效電阻公式：1ro2 rds22ID2Gds= nI D1ro4 rds44ID4飽和區(qū)）電壓增益：Avd2 gm(rds2 | rds4)增益帶寬積：GBWgm2 CL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(zhǎng)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(huì)有一定誤差，因此在此將增益帶寬積提升為 40MHz 。gm由GBW 2gmCL ，得；gm 40 106 得；2 CLgm 2.51 10 -4又有 gm

6、 = gm2 2 K 2ID2k2u2xCox WL從工藝庫得到 ：model nvn nmos：+tox= 1.17e-08+toxn 、+u0= 3.8300000e-02得： u2xCox =6.1839 10 -4后經(jīng)仿真計(jì)算得到的 u2xCox =7.8600 10 -4選取 ID2=15U 得：3.396，考慮到存在定誤差，選擇10.要使 MN2和MN4同時(shí)飽和，最小 V in.CM =V dsat2+V th4。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(shí)，增益為 45db，增益帶寬積

7、為 53MHz. 仍滿足要求 得輸入共模范圍大于： 4.5-1.332=3.168V3V事實(shí)上當(dāng) MN2 和MN4 沒有同時(shí)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(shí)，ID4=16.6u，增益為 58.3db，增益帶寬積為 32.1MHz。3、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(duì)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(dòng)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(zhǎng)比選取為 1.WW仿真得 W =10的NMOS 的 n=0.03581. W =1

8、的PMOS的p=0.01791L 2 L 2gm2 2 K 2ID2 =4.307 10-4 .故增益帶寬積為GBWgm2 CL =68.548MHz30MHz ，滿足題目要求。Ro2|Ro4=2ID2+ 4ID 4=1.241 106故 Avd2 gm(rds2|rds4) =534.5100. 滿足要求。四、電路仿真1、 NMOS 特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個(gè)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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic0

9、5modelh05hvcddtt09v01.lib res.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1N1N32 N1N32 0 0 NVN L=2U W=20U M=4V1I3 N1N46 0 5I1I30 N1N46 N1N32 DC=15U* DICTIONARY 1GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END靜態(tài)仿真結(jié)果：* mosfetssubcktelement0:mn1model0:nvnregionSaturatiid1.500e-0

10、5ibs-3.406e-22ibd-3.204e-17vgs8.466e-01vds8.466e-01vbs0.vth7.805e-01vdsat7.733e-02vod6.606e-02beta5.205e-03gam eff8.945e-01gm2.428e-04gds5.372e-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= nI D。得n=0.0

11、3581 。2、 PMOS 特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個(gè)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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib capM=1.unprotMN1 0 0 N1N7 N1N9 NVP L=2U W=2UV1I2 N1N9 0 5I1I3 N1N9 N1N7 DC=15U* DICT

12、IONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END靜態(tài)仿真結(jié)果：* mosfetssubcktelement0:mn1model0:nvpregionSaturatiid-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-05gam eff3.500e-01gm2.751e-05gds2.687e-07gmb4

13、.199e-06cdtot2.382e-15cgtot9.145e-15cstot7.903e-15cbtot5.428e-15cgs8.640e-15cgd4.210e-16從中可得到 gm=2.751e-05。推導(dǎo)NMOS參數(shù)：由公式 Gds= nI D。得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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib

14、 cap.unprot*MN1N4N2N30NVN L=2U W=20UM=4*MN2N6N5N30NVN L=2U W=20UM=4MN1N4N2N30NVN L=2U W=20UM=4MN2N6N2N30NVN L=2U W=20UM=4MN3N1N100NVN L=2U W=2UM=1MN4N3N100NVN L=2U W=2UM=1MP1N4N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1MP2N6N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1*VPN20DC=2 AC=1V 180IREFN7N1DC=30UVDDN705VC1N601P*VNN50DC=2 AC=1VVN N2 0 5

15、.dc VN 0 5 0.1* DICTIONARY 8* 1 = N1* 2 = N2* 3 = N3* 4 = N4* 5 = N5* 6 = N6* 7 = N7* GND = 0 *.options probe*.AC DEC 40 100 100MEG.op*.print VDB(N6).print I1(MN2) .END波形圖：從圖中可以看出使 MN2 和 MN4 同時(shí)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：Project SCH1Innoveda Wirel

16、ist Created with Version 6.3.5Inifile :Options : -h -d -n -m -z -x -c6Levels :.prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1N4N2N30NVN L=2U W=20UM=4MN2N6N5N30NVN L=2U W=20UM=4MN3N1N100NVN L=2U W

17、=2UM=1MN4N3N100NVN L=2U W=2UM=1MP1N4N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1MP2N6N4N7N7NVP L=2U W=2UM=1VPN20DC=2 AC=1V 180IREFN7N1DC=30UVDDN705VC1N601PVNN50DC=2 AC=1V* DICTIONARY 8* 1 = N1* 2 = N2* 3 = N3* 4 = N4* 5 = N5* 6 = N6* 7 = N7* GND = 0.options probe.AC DEC 40 100 100MEG .op.print VDB(N6).END仿真參數(shù)：* mosfetssu

18、bcktelement0:mn10:mn20:mn30:mn4 0:mp1 0:mp2model0:nvn0:nvn0:nvn0:nvn 0:nvp 0:nvpregionSaturatiSaturatiSaturatiSaturati Saturati Saturatiid14.9973u14.9973u30.0000u 29.9946u -14.9973u -14.9973uibs-62.7640a -62.7640a -6.811e-22 -6.810e-22 7.626e-22 7.626e-22ibd-118.4675a -118.4675a-1.5784a-1.5684a1.767

19、5a1.7675avgs1.34131.34131.66921.6692-1.8692-1.8692vds1.47211.47211.66921.6587-1.8692-1.8692vbs-1.6587-1.658.vth1.29251.2925794.5766m794.5766m -918.3170m -918.3170mvdsat86.2818m86.2818m552.1671m552.1672m -789.0672m -789.0672mvod48.8124m48.8124m874.6499m 874.6499m -950.9270m -950.9270mbeta5.21

20、05m5.2105m120.4712u120.4712u36.7421u36.7421ugam eff931.2989m931.2989m894.5246m894.5246m 384.0554m 384.0554mgm258.9827u258.9827u63.4382u63.4239u28.2039u28.2039ugds309.2459n309.2459n507.9654n514.2709n374.3018n374.3018ngmb60.6327u60.6327u22.3853u22.3807u7.0591u7.0591ucdtot104.0761f104.0761f3.2886f3.290

21、7f2.9936f2.9936fcgtot311.6988f311.6988f9.6670f9.6662f9.5160f9.5160fcstot281.7321f281.7321f10.4530f10.4531f10.0473f 10.0473fcbtot279.6288f279.6288f10.3382f10.3411f8.5988f8.5988fcgs243.5613f243.5613f8.4651f8.4651f8.9649f8.9649fcgd20.4390f20.4390f507.8724a507.0131a422.0242a422.0242a幅頻特性曲線：由圖中可以看出：增益為 58.4db， 3db 帶寬為 90.9KHz ，增益帶寬積為49.8MHz。五、性能指標(biāo)對(duì)比開環(huán)增益GBWIDW/L題目要求10030MHz理論值534.5068.548MHz15u（單邊）10（對(duì)管）仿真值831.76