2022年电流镜负载的差分放大器设计 .pdf

IC 课程设计报告电流镜负载的差分放大器设计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， 但不消耗过多的电压余度。而且，工作在包河区的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产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收工艺和温度的影响。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用相同的栅长， 以减小由于边缘扩散所产生的误差。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。目录1 设计目标 . 12 相关背景知识. 23 设计过程 . 63.1 电路结构设计. 63.2 主要电路参数的手工推导. 63.3 参数验证（手工推导）. 74 电路仿真 . 94.1 用于仿真的电路图. 9NMOS ： . 9PMOS . 9整体电路图 . 104.2 仿真网表（注意加上注释）. 104.3 仿真波形 . 135 讨论 . 176 收获和建议 . 17参考文献 . 19名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - - 1 设计目标设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：性能指标如下：工艺ICC 网站的 0.35um CMOS 工艺电源电压5V 增益带宽积25MHz 低频开环增益100 负载电容2pF 输入共模范围3V 功耗、面积尽量小名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - - 2 相关背景知识据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35um CMOS 工艺，要求在 5v 的电源电压下，负载电容为2pF时，增益带宽积大于25MHz，低频开环增益大于 100，同时功耗和面积越小表示性能越优。我们首先根据 0.35um CMOS 工艺大致确定单个CMOS 的性能，即在一定值的 W/L 下确定 MOS 管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。若不满足，则依据摘要理所说的，调节晶体管的宽度，然后用调整后的参数进行仿真、验证，直到符合要求为止。相关背景知识：1. 差分式放大器差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT、FET）所组成的差分式放大电路， 并在两器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid 为 Vi1 和 Vi2 的差成为共模电压；另外，若输入电压 Vic 为 VI1 和 Vi2 的算术平方根， 则称为共模电压。 当输入电压是共模形式时， ，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同， 故双端输出时输出电压为零； 当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压， 一管电流将增加， 另一管电流则减小， 所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下：1. 差模输入电压：12idiivvv2. 共模输入电压：122iiicvvv3. 差模输出电压：12odoovvv4. 共模输出电压：122ooocvvv5. 双 端 输 入 单 端 输 出 的 差 模 电 压 增 益 ：2(2|vdmdsdsAgrr6. 双端输入单端输出的等效栅跨导：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - - 222mDgK I222oxWu CkL7. 双端输入单端输出的等效输出电阻：22221odsDrrI44441odsDrrI8. 带宽公式：2|412LooBWC rr9. 增益带宽积：2mLgGBWC10. NMOS 管电流公式：2DnOXGSTH1IC() VV12DSWVL11. 参数1L12. 当 MOS 处于饱和区域时有如下：22nCoxDmnox DGSTHGSTHWWIgC IVVVVLLP 管和 N 管中n需从 lib 库文件中读取2.电流镜负载差分放大电路分析与设计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。如上图所示。NMOS器件M1 和M2 作为差分对管，P沟道器件 M4 ， M5 组成电流源负载。电流0 I 提名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - - 供差分放大器的工作电流。如果M4 和M5 相匹配，那么 M1 电流的大小就决定了M4 电流的大小。这个电流将镜像到M5 。如果 GS 1 GS 2 V =V ，则Ml和M2 的电流相同。这样由 M5 通过M2 的电流将等于是 OUT I 为零时 M2 所需要的电流。如果GS 1 GS 2 V V ，由于 0 D 1 D2 I = I + I ， D 1 I 相对 D 2 I 要增加。 D1 I 的增加意味着 D4 I 和D5 I 也增大。但是，当 GS 1 V 变的比 GS 2 V 大时， D2 I 应小。因此要使电路平衡，OUT I 必须为正。输出电流 OUT I 等于差分对管的差值，其最大值为 0 I 。 这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。反之如果GS1 GS 2 V 100 增益带宽积 GBW25MHZ 负载电容LC=2PF 而2|412LooBWC rr2mLgGBWC所以2|42LooC rr=254102mLgC25610而2221dsDrI4441dsDrI名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 20 页 - - - - - - - - - 所以22441+DDII=610而在电路中，2DI=4DI，那么就要算出2和4。而2DnOXGSTH1IC() VV12DSWVL，故分别对 NMOS 和 PMOS 仿真可以得到1221211=1DDSDSDWILVVWIL，故通过单管的仿真即可求出相应的，然后得出2DI的范围。我们仿真得出的n=0.01647,p=0.02751,故2DI-71.4323uA。然后从2mLgC25610可推出：mg410。而mg=2222mDgK I且22x22oxWu CkL。所以要求 W,则得出2xoxu C，而在仿真以后我们仿真后发现0.35um 工艺的2xoxu C为 2.04-410，故2WL3.38。3.3 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。取2WL=12， 则 有22x22oxWu CkL，所 以321 . 2 21 0k。取270DIA， 则-42222=5.84 10mDgK I，故 增 益 带 宽 积 为2= 4 1 . 7 02mLgG B WM H ZC25MHZ ，满足题目要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 20 页 - - - - - - - - - 取270DIA，则5224412|4=3.25 10+DDroroII，故42|41=24.48 102LooBWC rr，所以=170.34VA100，满足要求：全部性能都满足要求。但是为了使性能更好，我们不断修改参数，反复返回上一节的计算和推动过程，并进行多次仿真， 最终得到了满足题目中的性能指标要求并使面积很小的器件 参 数 是 ：2WL=10 ，2144DIA， 则 根 据 公 式2222mDgK I，22x22oxWu CkL可 计 算 出-42222=7.6610mDgK I，故2=60.962mLgGBWMHZC25MHZ。然后5224412|4=1.5+DDroroII，故42|41=50.30 102LooBWC rr，所以=121.19VA100,满足性能要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 20 页 - - - - - - - - - 4 电路仿真4.1 用于仿真的电路图NMOS ：PMOS 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 20 页 - - - - - - - - - 整体电路图4.2 仿真网表（注意加上注释）仿真 NMOS 单管特性的网表为：* Project N * Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5 * Inifile : * Options : -f -d -# -m -z -x * Levels : * .LIB c:synopsysCMOS_035_Spice_Model.lib TT *0.35umCMOS 工艺元件库的调用路径M1 1 2 0 0 N_33 L=1UM W=4UM *NMOS 的 d 在节点 1，g 在节点 2，s 在节点 0,衬底在节点 0，型号是 33，长为1um，宽为 4um VGS 2 0 4V *GS 分别在节点 2 和节点 0，且 VGS=4V VDS 1 0 5V *DS 分别在节点 1 和节点 0，且 VDS=5V .DC VDS 0 6 0.2 *以直流形式从 0 到 6 每间隔 0.2 采一个 VDS .PRINT DC i(m1) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 20 页 - - - - - - - - - *显示直流电流 i 的波形.op * DICTIONARY 1 * GND = 0 *.OPTIONS INGOLD=2 .option list node post .END 仿真 PMOS 单管特性的网表为：* Project P * Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5 * Inifile : * Options : -f -d -# -m -z -x * Levels : * .LIB c:synopsysCMOS_035_Spice_Model.lib TT *0.35umCMOS 工艺元件库的调用路径M1 1 2 0 0 P_33 L=1UM W=4UM *PMOS 的 d 在节点 1，g 在节点 2，s 在节点 0,衬底在节点 0，型号是 33，长为1um，宽为 4um VGS 2 0 -4V *GS 分别在节点 2 和节点 0，且 VGS=-4V VDS 1 0 -5V *DS 分别在节点 1 和节点 0，且 VDS=-5V .DC VDS 0 -10 0.2 *以直流形式从 -10 到 0 每间隔 0.2 采一个 VDS .PRINT DC i(m1) *显示直流电流 i 的波形.op * DICTIONARY 1 * GND = 0 *.OPTIONS INGOLD=2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 20 页 - - - - - - - - - .option list node post .END 由于有电路图直接生成的网表并不能用于Hspice 仿真，还需要进行一些修改，如加上元件库、修改“ .OPTION”后面的内容、加上仿真激励和最终观看的节点电路参数名称等。故最后用于Hspice仿真整体电路的网表为：* Project ll * Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5 * Inifile : * Options : -f -d -# -m -z -x * Levels : * .lib D:vfCMOS_035_Spice_Model.lib tt *0.35umCMOS 工艺元件库的调用路径Vdd 2 0 5V *正电源电压在节点2 和 0 之间，且电压为直流5VVss 8 0 -5v *负电源电压在节点8 和 0 之间，且电压为直流 -5VCOUT 3 0 2PF *负载电容在节点 3 和 0 之间，且值为 2PFMP1 4 4 2 2 P_33 L=1U W=1U *P1MOS 管的 d 在节点 4，g在节点 4，s在节点 2，衬底在节点 2，33 是该 MOS管的型号，长为 1um，宽也为 1um。MP2 3 4 2 2 P_33 L=1U W=1U *P2MOS 管的 d 在节点 3，g在节点 4，s在节点 2，衬底在节点 2，33 是该 MOS管的型号，长为 1um，宽也为 1um。MN1 4 5 6 6 N_33 L=1U W=10U *N1MOS 管的 d 在节点 4，g 在节点 5，s 在节点 6，衬底在节点 6，33 是该 MOS管的型号，长为 1um，宽为 10um。MN2 3 1 6 6 N_33 L=1U W=10U *N2MOS 管的 d 在节点 3，g 在节点 1，s 在节点 6，衬底在节点 6，33 是该 MOS管的型号，长为 1um，宽为 10um。MN4 6 7 8 8 N_33 L=1U W=1U *N4MOS 管的 d 在节点 6，g 在节点 7，s 在节点 8，衬底在节点 8，33 是该 MOS管的型号，长为 1um，宽为 1um。MN3 7 7 8 8 N_33 L=1U W=1U *N3MOS 管的 d 在节点 7，g 在节点 7，s 在节点 8，衬底在节点 8，33 是该 MOS名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 20 页 - - - - - - - - - 管的型号，长为 1um，宽为 1um。Ibias 0 7 DC=144UA *镜像电流源的输入电流在节点0 和 7 之间，直流值为 144uAV1I104 1 0 DC=0 AC=1V *在节点 1 和节点 0 之间输入的直流电压源的值为1V V1I91 5 0 0V *在节点 5 和节点 0 之间输入的直流电压源的值为0V .AC dec 10 1K 10MEG *采用交流分析，从1KHZ 到 1MHZ ，每 10 倍频采 10个点.PRINT VDB(3) *以分贝为单位显示节点3 的电压值.op * DICTIONARY 1 * GND = 0 .OPTIONS LIST NODE POST .END 4.3 仿真波形宽长比为 4 的 NMOS 的单管仿真波形：用波形上标出的那两点根据公式1221211=1DDSDSDWILVVWIL（注意： VDS 应取绝对值）计算名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 20 页 - - - - - - - - - 出 P 管的=0.02751.仿真得出的数据如下：subckt element 0:m1 model 0:n_33 region Saturati id 59.0529u ibs -1.220e-20 ibd -2.0137f vgs 1.0000 vds 5.0000 vbs 0. vth 649.0192m vdsat 309.2478m beta 859.8757u gam eff 703.3935m gm 286.8670u gds 9.6295u gmb 103.9145u cdtot 4.5668f cgtot 21.1318f cstot 30.6363f cbtot 20.9675f cgs 17.3549f cgd 718.6948 因为msgDSV，且msg=xoxWu cL,所以mxoxGSTgu cWVVL。再直接由公式mxoxGSTgucWVVL计算出xoxuc=2.04-410宽长比为 4 的 NMOS 单管的仿真波形：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 20 页 - - - - - - - - - 用图中所标示出的两点根据公式1221211=1DDSDSDWILVVWIL计算出 NMOS 的=0.01647。仿真得到的数据如下所示：subckt element 0:m1 model 0:p_33 region Saturati id -1.420e-04 ibs 4.877e-19 ibd 1.118e-08 vgs -2.000e+00 vds -5.000e+00 vbs 0. vth -8.475e-01 vdsat -1.001e+00 beta 2.118e-04 gam eff 3.505e-01 gm 2.039e-04 gds 2.561e-06 gmb 3.877e-05 cdtot 4.120e-15 cgtot 1.792e-14 cstot 2.563e-14 cbtot 1.661e-14 cgs 1.590e-14 cgd 5.294e-16 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 20 页 - - - - - - - - - 然后因为msgDSV，且msg=xoxWu cL,所以mxoxGSTgu cWVVL，再根据公式mxoxGSTgucWVVL计算出 N 管的xoxuc=-4.43-510。整体电路仿真的波形如下图所示：在图中可以看到中频带的增益为40.3db，fH=33.95MHZ ，满足题目中的指标要求，并且面积很小。仿真得到的参数为：subckt element 0:mp1 0:mp2 0:mn1 0:mn2 0:mn4 0:mn3 model 0:p_33 0:p_33 0:n_33 0:n_33 0:n_33 0:n_33 region Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati id -73.0477u -73.0477u 73.0477u 73.0477u 146.0953u 144.0000u ibs 4.810e-19 4.810e-19 -1.316e-20 -1.316e-20 -6.117e-20 -6.030e-20 ibd 13.6994f 13.6994f -2.1174f -2.1174f -662.8755a -393.0403a vgs -2.9234 -2.9234 939.0857m 939.0857m 2.4080 2.4080 vds -2.9234 -2.9234 3.0157 3.0157 4.0609 2.4080 vbs 0. 0. 0. 0. 0. 0. vth -883.5904m -883.5904m 655.5127m 655.5127m 604.5963m 605.0418m vdsat -1.6748 -1.6748 261.3564m 261.3564m 1.1759 1.1757 beta 41.0553u 41.0553u 1.7577m 1.7577m 131.9767u 131.9678u gam eff 350.4870m 350.4870m 703.3935m 703.3935m 703.3941m 703.3941m gm 55.2858u 55.2858u 446.9920u 446.9920u 123.6864u 121.9343u gds 3.0253u 3.0253u 1.1727u 1.1727u 1.6612u 2.0334u gmb 10.7829u 10.7829u 163.1524u 163.1524u 42.2528u 41.8515u cdtot 1.4329f 1.4329f 10.2119f 10.2119f 1.1672f 1.3546f cgtot 4.8447f 4.8447f 41.9087f 41.9087f 4.5501f 4.5512f 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 20 页 - - - - - - - - - cstot 6.2189f 6.2189f 61.6284f 61.6284f 5.9252f 5.9260f cbtot 5.5444f 5.5444f 41.7235f 41.7235f 5.4130f 5.5979f cgs 3.6486f 3.6486f 35.3279f 35.3279f 3.1121f 3.1132f cgd 115.3669a 115.3669a 1.4636f 1.4636f 125.2040a 126.3313a 5 讨论设计参数的各项对比如下：指标项设计指标计算结果仿真结果增益带宽积25MHz 60.96MHz33.95M 增益100 120.19 103.5 6 收获和建议本次的 IC 课程设计使我受益匪浅。大二下我们已经深入的学习过模拟电子技术基础和微电子器件与IC设计基础这两门课程的理论知识了，但是对于实践方面的知识我们一无所知。感谢有这门课程，使我们学会将课堂上的纯理论知识变成生活中实用的部分。我谈谈我做课设的感受吧。刚看到题目一张图，几个指标就构成了题名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 20 页 - - - - - - - - - 目的全部时， 完全不知道从何下手。 然后就通过各个渠道打听我们这个题目的用意。还好，有前人做过相关的题目，我们就仔细的找相关的资料，看到底题目的用意是什么。通过不断的努力，我们终于了解了相关的背景知识以及理论知识，正准备着手开始做的时候， 突然发现老师要求使用的软件都是以前从来没用到过的，于是又开始另一轮对软件的使用方法的搜索。很可惜，找不到具体的相关知识，甚至我们在安装viewlogic 软件时，都出现了问题，安上去以后根本就用不了。我们只好等着第一次答疑。可是，令我们很郁闷的是，学长的软件使用知识是准备第二次答疑才讲， 我们只好先搁置了。 第二次答疑听了助教的讲解后，还不是十分明白， 但是助教给了我们相关的教程。毕竟是一种全新的软件， 一种全新的语言， 所以我们花了很长的时间来熟练软件的使用。软件熟悉后， 我们就开始有条不紊地进行了。我们在进行胆管方阵的过程中遇到了一个问题，就是我们仿真出来的PMOS 的沟道长度调制系数居然全是负数。我们分析了我们使用的公式，发现它 就 应 该 是 负 数 ， 因 为PMOS的VDS0 ， 而 求 使 用 的 公 式 是 ：1221211=1DDSDSDWILVVWIL，可以看出计算是没有问题的。可是，为什么与理论值不符呢？苦恼了很久，终于在助教那儿找到了答案。他说，这里的VDS 应该用绝对值来算。但是为什么要用绝对值来算呢，理论依据是什么，我还是不太清楚。除了这个问题，其它的我们进行得很顺利。可是在进行检验时，却发现很多数据都不对劲， 像栅源跨导 gm 这个参数， 我刚开始用的是在将宽长比取了一个值后，通过仿真结果得到要求gm 的相关参数，如u、cox 等，然后就把这些定值给邱出来了。但是，我根本没有发现，我们用的是整体仿真电路仿的，而在CMOS 的双输入单输出的差分放大电路里，只能求出 N2 管的值。结果，我就用一个仿真电路将P、N 管的 u.cox 都求出来了，然后就用的这组数据进行的计算。最后发现仿真出来的指标和我手工计算的所有指标都相差非常远，就觉得有问题了。当我再次仔细认真的看差分放大电路时我才明白过来，用差分放大电路求的只能是 T2 管的参数。于是，我们就在单管的仿真里重新计算了参数，总算与仿真值有一定的相关性了。最后也经过不断的修改参数，不断的计算， 终于理论和仿真都达到了要求，而且性能还很好。但是我总觉得我的课设还没有结束，因为其中还有很多未知的东西等着我去深究，还有viewlogic 和 Hspice 两款强大的软件等着我去深入的了解他们的使用方法，和适用的范围。这次课设通过不断的计算不断的修改参数来调整性能，不仅使我的理论知识得到了加强，还使我分析问题、 思考问题和解决问题的能力得到了加强，而且提高了我理论联系实际的能力，培养了我认真、仔细的好习惯。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 20 页 - - - - - - - - - 参考文献毕查德 -拉扎维，模拟 CMOS 集成电路设计（ Design of Analog CMOS Integrated Circuits） ，西安：西安交通大学出版社，2002。康华光，电子技术基础（模拟部分） ，北京：高等教育出版社，2006。罗广孝，CMOS 模拟集成电路设计与仿真， 保定：华北电力大学出版社，2007。4 刘刚 雷鑑铭 高俊雄 陈涛，微电子器件与IC 设计基础，北京：科学出版社， 2005 5谢长焱 何怡刚，低电压全摆幅恒跨导CMOS 运算放大器的设计， 吉首大学学报， 2006，27（5）6 何红松 , CMOS 两级运算放大器设计与HSPICE 仿真,湖南：湖南科技学院学报， 2007.12，28（12）7百度空间，我的有源电流镜差分放大器，http:/ ，2010.12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 20 页 - - - - - - - - -