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1、简单差分放大器设计报告摘要 .2一、设计要求 .2二、设计原理 .32.1 MOS 管工艺参数 .32.2 相关计算公式 .42.2.1 电流 .4DI2.2.2 跨导 .5mg2.2.3 电阻 .50r2.2.4 电导与增益 .52.3 确定 MOS 管尺寸 .6三、电路仿真 .73.1 差分放大器仿真电路图 .83.2 差分放大电路静态仿真 .83.3 差分放大电路动态仿真 .113.4 MOS 管不同宽度对比 .12四、版图设计 .134.1 版图设计优化 .134.2 版图绘制 .164.3 版图 DRC 检测 .174.4 版图 LVS 检测 .184.5 版图 PEX 仿真 .19
2、五、总结 .21简单差分放大器设计报告摘要作为普通单端输入放大器推广的差分放大器用于处理两个输入信号的差值，而与输入信号的绝对值无关，其把两个输入信号的差值以一个固定的增益进行放大，通常作为功率放大器和发射极耦合逻辑电路的输入级使用。两个参数完全相同的晶体管以直接耦合的方式构成放大器，若两个输入端输入大小相位完全相同的信号电压，则放大器的输出为零，可以通过这一特点来抑制零点漂移，使放大器用作于直流放大器。在集成电路中，差分放大器可用于去除两个信号源中不需要的共模信号，仅放大差分信号，可有效抑制随时间变化的电源电压波动、衬底电压波动、温度变化产生的共模噪声。在差分放大电路中，电流镜可以精确的复制
3、电流而不被工艺和温度影响，因而差分对的尾电流源用 NMOS 来镜像，负载电流源用 PMOS 来镜像，且电流镜中采用相同参数的 MOS 管来减小边缘扩散。MOS 管的沟道长度对阈值电压影响较大，因此，电流的比值可通过宽度来调整，从而使整个放大电路达到最佳性能。一、设计要求设计一个简单差分放大器（五管放大器） ，需知五管放大器结构简单，但增益小，通常增益在 50dB 以下，其基本电路图如下：图 1-1 差分放大器电路图其仿真系统中电路图可设计如下：图 1-2 电路原理图电路性能参数要求如下：性能 参数工艺 0.35umMOS 工艺电源电压 3.3V增益 VG45dB单位增益带宽 100MHz输出摆
4、率 SR200V/us负载电容 LC5pF功耗、面积尽量小二、设计原理2.1 MOS 管工艺参数基于 0.35umMOS 工艺，查看 model 文件可知设计差分放大器电路所需 MOS管主要参数：NMOS 管参数NMOS 管 参数迁移率 0u463.674 Vscm/2栅氧厚度 oxt 7.46 109-阈值电压 thv0.6027VPMOS 管参数PMOS 管 参数迁移率 0u170.9075 Vscm/2栅氧厚度 oxt 7.46 m109-阈值电压 thv-0.8427V2.2 相关计算公式2.2.1 电流 DI（1）已知电流公式： 221dsatoxDVLWCI其中 为单位面积栅氧化层
5、电容， 为过驱动电压。且已知：oxCdsat Ftoxx 3-9-1si 1062.4046.7532 dsatGSthV其中 二氧化硅介电系数约为 3.453 。2sio cmF/103-（2）以输出摆率求总电流因输出摆率 ，且设计要求输出摆率 为 200V/us，负载电容 为LDCISRSRLC5pF 则： mApFsVCSRILD110502u/26由此计算得出总电流 为 。DIAm12.2.2 跨导 mg(1)跨导 公式如下： DoxnmICuLWg2(2)以带宽求跨导因带宽 ，且设计要求单位增益带宽为 100MHz 则：LmCgumsfCLLum14.3 10510.22g 26 由
6、此计算得出输入管跨导 3.14 。2.2.3 电阻 0r电阻 可通过如下公式计算：0 DI1r02.2.4 电导与增益因放大倍数 满足VA3121/gdsdsmdsdsmV grA其中电压放大倍数 与增益 之间换算公式为：iVAodBVioV AgGlg20l20由前面设计要求可知 为 45 ，则VdBusAgVmdsds 7.1104.3g25341 由此计算得出电导 为 17.7 。41dsgus2.3 确定 MOS 管尺寸因本设计基于 0.35umMOS 工艺，则 MOS 管沟道最小长度可至 0.35um。考虑到短沟效应和器件匹配性等实际情况，模拟电路一般不使用最小尺寸，这里综合衡量各方
7、面因素，本设计中的差分放大器 MOS 管沟道长度设为 2um 较为理想。为了使差分放大器的输入电压具有的较大范围，需要限制其尾管 M3（NMOS管）的过驱动电压，可设其不超过 350mV。已知总电流 221dsatoxDVLWCI则推导得VWLCIVoxDdsat m350u2即 mCuLIoxND636-3-102.5125.09.4.2其中，由于电路中尾管为 NMOS 管，则迁移率 u 取 463.674 ，则最Vscm/2终计算结果如上，电路中 NMOS 管的沟道宽度大于 152um。不得不顾虑输出电压的范围，负载管 M4、M5（PMOS 管）的过驱动电压同样不应该太大，可设其不超过 6
8、00mV，且单个负载管电流为尾管电流即总电流的一半，即 0.5mA，则：DI VWLCIVoxPdsat m60u2mIoxPp636-1085.7.029.4.其中，由于电路中负载管为 PMOS 管，则迁移率 u 取 170.9075 ，则Vscm/2最终计算结果如上，电路中 NMOS 管的沟道宽度大于 70um。输入管 M1、M2（NMOS 管）沟道宽度主要考虑跨导，则由以下公式推导计算可得： NoxmICuLWg2m1082.9 105.10629.4.2- 3-3-6- NoxmICuLgW其中，由于电路中输入管为 NMOS 管，则迁移率 u 取 463.674 ，则Vscm/2最终计
9、算结果如上，电路中 NMOS 管的沟道宽度大于 91um。综合各个方面考虑，本设计中以 NMOS 管 M1、M2、M3 三管宽 W 取 160um，长 L 取 2um，PMOS 管 M4、M5 两管宽 W 取 100um，长 L 取 2um 为设定的 MOS 管宽长比，进行后续工作。三、电路仿真3.1 差分放大器仿真电路图从上一节中知道，设计中所用的 MOS 管可以设置以下参数：M1、M2 输入管 NMOS W:160um L:2umM3 尾管 NMOS W:160um L:2umM4、M5 负载管 PMOS W:100um L:2um实验过程用以下电路图对所设计的差分放大器进行仿真，分析其静
10、态工作与动态输出性能。其中电源电压设置为 3.3V，输入管 M1、M2 分别接 1.65V 直流电压源 vdc，使电路可以正常工作，再给 M1 一个 1V 交流振幅，以便分析电路交流特性。负载管 M4、M5 以对称的形式存在，衬底接高电位即电源电压。为尾管 M3 设置镜像管 M6，构成镜像电流源，并在其上加一个电流源 idc，赋值1mA。最后在输出端接设计要求的 5pF 的负载电容，构成完整的仿真电路。图 3-1 电路仿真图3.2 差分放大电路静态仿真图 3-2 中每个 MOS 管两侧均标有其静态仿真结果，包括电路中各节点的电压与 MOS 管的静态工作点。图 3-2 电路器件静态工作参数以输入
11、管 M1 为例，列出其全部静态工作参数如下图 3-3。则：mVVVdsatds 192.32567.1因此，NMOS 管工作在饱和区。其中 为 3.32378ms，与前面计算得出的跨导 3.14ms 相差不多，已基本达mg到设计要求，其计算后误差约为 5.85%。 %85.104.3278-1误 差图 3-3M1 静态工作参数图 3-4M4 静态工作参数以负载管 M4 为例，列出其全部静态工作参数如上图 3-4。mVVVdsatds 957.146892.1因此，PMOS 管工作在饱和区。其中 为 10.1022us，且图 3-3 中 为 7.82519us，则4gds 1gds与前面计算得出
12、的电导 17.7us 相近，已基本达到设计要ussd9273.11求，其计算后误差约为 5.85%。 %28.107.1923-. 误 差3.3 差分放大电路动态仿真下列图中数据是差分放大电路在交流电压下的仿真结果，图 3-4 中是输出端的振幅与相位随频率变化而变化的图像。下方曲线表示差分放大电路中相位随频率变化而变化，但是存在相位失真，这是由于放大器对输入信号的不同频率的分量滞后时间不相等造成的波形失真。图 3-5 电路增益我们主要应用图 3-4 中振幅随频率变化的曲线，其代表了差分放大电路的幅频特性，通过曲线的平缓处可以测试出电路的增益，如图 3-5 中所示，曲线的平缓处即最高处 A 点，其值为 45.3157dB，这与设计要求 45dB 基本相符，其误差如下： %70.14537.-误 差图 3-6 电路带宽图 3-6 中，同样的，在幅频特性曲线上的 B 点处，即为所测试的单位增益带宽。在幅度为-3dB 处，其对应的频率即是单位增益带宽，由图中可知其为118.796MHz，这与设计要求的 100MHz 很接近，其误差为： %796.18010
