《电流镜负载的差分放大器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电流镜负载的差分放大器设计（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-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准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。一个相比照拟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准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用一样的栅长，以减
2、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。而此题就是利用这一原理来实现的。一、设计目标题目3二、相关背景知识41、单个MOSTFET的主要参数包括：4三、设计过程51、电路构造52、主要电路参数的手工推导63、参数验证手工推导7四、电路仿真71、NMOS特性仿真及参数推导72、PMOS特性仿真及参数推导103、最小共模输入电压仿真134、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导15五、性能指标比照18六、心得18一、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：l 负载电容l 对管的m
3、取4的倍数l 低频开环增益100l GBW(增益带宽积)30MHzl 输入共模围3Vl 功耗、面积尽量小参考电路图如下列图所示设计步骤：1、 仿真单个MOS的特性，得到*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、输入共模围。4、 如果增益和带宽不符合题目要求，则修改器件参数，并重复上述计算过程。5、 一旦计算结果到达题目要求，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，则返回步骤2，直至符合要求二、相关背景知识传统运算放大器的输入级一般都采用
4、电流镜负载的差分对。如下列图所示。1、单个MOSTFET的主要参数包括：1.直流参数： 开启电压Vt，即当Vds为*一固定值使Id等于一微小电流时，栅源间的电压。2.交流小信号参数： PMOS、NMOS的栅跨导 g m ： g m 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构造来提高跨导。小信号电阻 r0 ： r0 说明了Vds对Id的影响，是输出特性在*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=nID电压增益：增益带宽积：三、设计过程1、电路构造整体电路如上图。2、主要电路参数的手工推导根据题目要求：n 负载电容n 低频开环增益100n
5、 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；2.51又有= 从工艺库得到：model nvn nmos：+to*= 1.17e-08+to*n 、+u0= 3.8300000e-02得：=6.1839后经仿真计算得到的=7.8600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Vin.CM=Vdsat2+Vth4。仿真得Vdsat2=0.552V。Vth4=0.780V. 得最小输入共模电压Vin.CM=1.332V.仿真
6、得Vin.CM=4.5V时，增益为45db，增益带宽积为53MHz. 仍满足要求。得输入共模围大于：4.5-1.332=3.168V3V事实上当MN2和MN4没有同时饱和也能到达增益和带宽要求，输入共模电压Vin.CM=1.1V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展比照。如果实际电路未能到达设计要求，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n=0.03581
7、.=1的PMOS的p=0.01791=4.307.故增益带宽积为=68.548MHz30MHz，满足题目要求。Ro2|Ro4=1.241106故=534.5100. 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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib
8、 cap.unprotMN1 N1N32 N1N32 0 0 NVN L=2U W=20U M=4V1I3 N1N46 0 5 I1I30 N1N46 N1N32 DC=15U * DICTIONARY 1* GND = 0.options list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END静态仿真结果：* mosfets subckt element 0:mn1 model 0:nvn region Saturati id 1.500e-05 ibs -3.406e-22 ibd -3.204e-17 vgs 8.466e-01 vds 8.466e-
9、01 vbs 0. vth 7.805e-01 vdsat 7.733e-02 vod 6.606e-02 beta 5.205e-03 gam eff 8.945e-01 gm 2.428e-04 gds 5.372e-07 gmb 9.836e-05 cdtot 1.242e-13 cgtot 3.438e-13 cstot 3.494e-13 cbtot 3.953e-13 cgs 2.619e-13 cgd 1.993e-14从中可得到gm=2.428e-04，和手工推导得到的有一定误差。推导NMOS参数：由公式 Gds=nID。得n=0.03581。2、PMOS特性仿真及参数推导单个
10、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:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotMN1 0 0 N1N7 N1N9 NVP L=2U W=2U M=1V1I2 N1N9 0 5 I1I3 N1N9 N1N7 DC=15U * DICTIONARY 1* GND = 0.option
11、s list node post.op.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2.END静态仿真结果：* mosfets subckt element 0:mn1 model 0:nvp region Saturati id -1.500e-05 ibs 2.495e-18 ibd 4.729e-18 vgs -2.363e+00 vds -2.363e+00 vbs 2.636e+00 vth -1.387e+00 vdsat -9.069e-01 vod -9.767e-01 beta 3.101e-05 gam eff 3.500e-01 gm 2.751e-05 gds 2.68
12、7e-07 gmb 4.199e-06 cdtot 2.382e-15 cgtot 9.145e-15 cstot 7.903e-15 cbtot 5.428e-15 cgs 8.640e-15 cgd 4.210e-16从中可得到gm=2.751e-05。推导NMOS参数：由公式 Gds=nID。得p=0.01791。3、最小共模输入电压仿真电路图：仿真网表：.prot.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib E:viewlogic05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib E:viewlogic05mod
13、elh05hvcddtt09v01.lib cap.unprot*MN1 N4 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4*MN2 N6 N5 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN1 N4 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN2 N6 N2 N3 0 NVN L=2U W=20U M=4MN3 N1 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MN4 N3 N1 0 0 NVN L=2U W=2U M=1MP1 N4 N4 N7 N7 NVP L=2U W=2U M=1MP2 N6 N4 N7 N7 NVP L=2U W=2U M=1*VP N2 0 DC=2 AC=1V 180IREF N7 N1 DC=30U VDD N7 0 5V C1 N6 0 1P *VN N5 0 DC=2 AC=1V VN N2 0 5.dc VN 0 5 0.1* DICTIONARY 8*
