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1、 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
2、求的放大器。一.设计目标- 1 -二单个MOS管的的特性- 2 -2.1 、NMOS特性仿真- 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- 11 -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：l 负载电容ll 对管的m取4的倍数l 低频开环增益100l GBW(增益带宽积)30MHzl 输入共模范围3Vl 功耗、
3、面积尽量小参考电路图：二单个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:* Project NMOS* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5* Inifile : * Options :
4、 -h -d -n -m -z -x -c6 * Levels : * .prot.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotM1I1 VD VB 0 0 NVN L=1U W=10U M=1VBS VB 0 1 VDS VD 0 5 * DICTIONARY 1* GND = 0.options post list.dc VDS 0 5 0.1
5、.op.print i1(M1I1).END仿真波形：仿真得出的数据：subckt element 0: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 gam eff 894.5056m gm 192.1882u gds 1.2418u gmb 72.1958u cdtot 12.5800f cgtot 24.0149f cs
6、tot 31.6174f cbtot 34.8211f cgs 18.4311f cgd 2.8784f参数计算：由仿真结果可以算出：=0.0352.2 、PMOS特性仿真电路图如下：HSPICE仿真：* Project PMOS* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5* Inifile : * Options : -h -d -n -m -z -x -c6 * Levels : * .prot.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib D:ePD05model05modelh05hv
7、cddtt09v01.lib res .lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotM1I1 VDS VGS VDD VDD NVP L=1U W=10U M=1V1I2 VGS 0 4 V1I3 VDS 0 5 V1I4VDD 05* DICTIONARY 1* GND = 0.options post list.dc V1I3 0 5 0.1 *V1I2 3.5 5 0.1 .op.print i1(M1I1).END仿真得出的数据：subckt element 0:m1i1 model 0:nvp region Linear
8、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 gam eff 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：由仿真结果可以得出=0.0729三电路设计与参数推导3.1电路设计：3.2手工推导参数由库文件可以得到上述除了n、p
9、 外的器件参数，n、p可以由mos管的仿真得到。由性能指标低频开环增益100，GBW(增益带宽积)，CL=1pf可得求得我们设计中取。另一方面求得。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，求得。这里我们取下一步应该确定M3，M4，M5，M6的宽长比。由可得取负载管M3，M4的过驱动电压 Vod=300mV可得。这里我们取同理取电流源管M5，M6的 过驱动电压Vod=500mV可得。这里我们取理论开环增益:理论单位增益带宽:理论共模输入电平最小值: 理论共模输入电平最大值: 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
10、真电流源负载的差分放大器整体电路图：4.1、HSPICE仿真：* Project DC_NMOS* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5* Inifile : * Options : -h -d -n -m -z -x -c6 * Levels : * .prot.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib cap.
11、unprotcout vout 0 1pfM3 M3dg-M4g-M1d M3dg-M4g-M1d vdd vdd NVP L=1U W=8U M=1M4 vout M3dg-M4g-M1d vdd vdd NVP L=1U W=8U M=1M1 M3dg-M4g-M1d in1 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=1sM2 vout in2 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=1M6 M1s-M2s-M6d M6g-M5dg 0 0 NVN L=1U W=4U M=1M5 M6g-M5dg M6g-M5dg 0 0 NVN L=1U W=4
12、U M=1V1 vdd 0 5V I1 0 M6g-M5dg DC=50uA Vin1 in2 0 2.5V ac=0.5vVin2 in1 0 2.5V ac=0.5v 180* DICTIONARY 1* GND = 0.OPTIONS PROBE.OP.dc V1 0 5 0.1 .ac dec 10 1k 100meg.options list node post.print ac vdb(vout).end4.2、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
13、，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：* Project DC_NMOS* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5* Inifile : * Options : -h -d -n -m -z -x -c6 * Levels : * .prot.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib tt.lib D:ePD05model05modelh05hvcddtt09v01.lib res .lib D:ePD05model05mode
14、lh05hvcddtt09v01.lib cap.unprotcout vout 0 1pfM3 M3dg-M4g-M1d M3dg-M4g-M1d vdd vdd NVP L=1U W=8U M=1M4 vout M3dg-M4g-M1d vdd vdd NVP L=1U W=8U M=1M1 M3dg-M4g-M1d in1 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=4M2 vout in2 M1s-M2s-M6d 0 NVN L=1U W=16U M=4M6 M1s-M2s-M6d M6g-M5dg 0 0 NVN L=1U W=4U M=1M5 M6g-M5dg M
15、6g-M5dg 0 0 NVN L=1U W=4U M=1V1 vdd 0 5V I1 0 M6g-M5dg DC=50uA Vin1 in2 0 2.5V ac=0.5vVin2 in1 0 2.5V ac=0.5v 180* DICTIONARY 1* GND = 0.OPTIONS PROBE.OP.dc V1 0 5 0.1 .ac dec 10 1k 100meg.options list node post.print ac vdb(vout).end4.3 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
16、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：* * project dc_nmos * ac analysis tnom= 25.000 temp= 25.000 * x freq volt db vout 1.00000k 42.3343 1.25893k 42.3343 1.58489k 42.3342 1.99526k 42.3342 2.51189k 42.3342 3.16228k 42.3341 3.98107k 42.3340 5.01187k 42.3338 6.30957k 42.3335 7.94328k 42.3331 10.00000k 42.3324
17、 12.58925k 42.3312 15.84893k 42.3295 19.95262k 42.3266 25.11886k 42.3222 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.
18、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 25.118
19、86x 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：.OPTIONS PROBE.OP*.dc Vin1 0 5 0.1*.print ac vM(vout).print i1(M3).options list node post.END出来的波形如下：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25
20、mA了。以下数据是当共模输入电平为Vincom=Vgsm1+Vdsm6=1.6V时仿真得到的数据* 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 Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati id -23.3008u -23.3008u 23.3008u 23.3008u 46.6016u 50.0000u ibs 1.185e-21 1.185e-21 -16.2402a -1
21、6.2402a -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 -325.61
22、30m -325.6130m 71.2561m 71.2561m 310.9569m 311.4916m vod -340.7521m -340.7521m 43.3089m 43.3089m 511.4315m 512.5097m beta 359.5878u 359.5878u 9.5044m 9.5044m 576.1957u 576.2126u gam eff 384.0653m 384.0653m 908.7034m 908.7034m 894.5198m 894.5210m gm 119.6053u 119.6053u 402.3115u 402.3115u 159.6314u 1
23、74.0003u 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 131.8157f 131.8157f 9.6359f 9.6096f cstot 26.4459f 26.4459f 163.4455f 163.4455f 13.1528f 13.1
24、500f 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以下数据时当共模输入电平为Vincom=Vgsm1+Vdsm6=5V时仿真得到数据：* mosfets subckt element 0:m3 0:m4 0:m1 0:m2 0:m6 0:m5 model 0:nvp 0:nvp 0:nvn 0:n
25、vn 0:nvn 0:nvn region Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati 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
26、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 515.0476m 512.5097m beta 358.2060
27、u 358.2060u 2.3586m 2.3586m 576.2513u 576.2126u gam eff 384.0646m 384.0646m 955.8307m 955.8307m 894.5218m 894.5210m 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.
28、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 13.1491f 13.1500f cbtot 28.1257f 28.1257f 40.1024f 40.1024f 14.7630f 15.5264f cgs 17.7131f 17.7131f 28.2358f 28.2358f 7.7386f 7.7420f cgd 1.6796f 1.679
29、6f 3.8744f 3.8744f 1.1407f 1.0019f所以由以上数据我们可以得出实际仿真出输入共模电平范围为V=5-1.6=3.4V。这个值比理论计算出来的值大，这是由于实际中我们忽略了放大管M1，M2的衬偏效应。实际上可以看出在Vin=1.6V时，M1，M2管已经存在衬偏效应，此时放大管的阈值电压VTH=1.0202，当共模电平增大时，VTH也随之增大，直到输入共模电平增大到5V，此时的阈值电压增大到VTH=1.6066V，并且Vds6从536.4570mV增大到3.2504V。从而导致即使输入共模电平增大到5V，负载管仍没有进入线性区。一下数据是仿真得到功耗：* voltag
30、e sources subckt element 0:v1 0:vin1 volts 5.0000 2.5000 current -49.7605u 0. power 248.8025u 0. total voltage source power dissipation= 248.8025u watts * current sources subckt element 0:i1 volts -1.3521 current 50.0000u power 67.6062u total current source power dissipation= 67.6062u watts总功耗为W=233
31、.0079+67.6062=316.4087uw4.5 数据对比增益单位增益带宽输入共模电平范围面积功耗设计要求10030M3V尽量小尽量小理论值111.21447.746M3.0940V尽量小311.155uw仿真结果125.8959.1M3.4V较小316.4087uw五.总结最开始看到题目有点无从下手的感觉，因为模电学得不那么透彻，拿到图的第一反应只是一个电流源的电流镜图而已，终于在看书理解完整个逻辑推导过程之后，还有那2个软件的安装和学习使用之后，感觉算是有点入门的效果。首先我们的想法是通过eProduct Designer画出单个NMOS和PMOS的参数值，因为没有这些参数计算不了。
32、eProduct Designer并不难使用，但是发现导出网表修改之后，HSPICE仿真出波形图总是失败，这是HSPICE语言的语法之类的不够熟悉，还有可能是中文路径的因故，耗了挺久时间终于仿真出波形了。之后，在工程文件夹下的.lis后缀名文件中可以得到单个MOS管在特定W/L下的除外的其他参数。根据仿真波形和这些参数，把也求出来。有了这些参数，我们就可以手工推导电路的参数了。从老师给的题目要求就可以猜出不会简单按照计算就可以了，所以我们很小心地记录各个参数和波形，果然问题出来了，低频开环增益不够40db（即100倍）。因为注意到老师给的题目要求里有“对管的m取4的倍数”，然而这个条件我们还没怎么利用到(默认取1)所以我们尝试增大M1，M2放大管的对管数，把对管数从1改成4，结果发现原来增益满足了，同时增益带宽积也加大了s。仿真对比之后发现仿真值出来的结果总是比理论值大一些，无论是面积功耗还是增益带宽积等。经过思考发现应该是我们一直忽略的衬底偏置效应，由于衬偏效应存在，M1，M2管的阈值电压会有所增大。从而影响了后面计算的一系列因素，并且发现无论怎样增大输入共模电平， Pmos管仍然没有进入线性区，应该也是衬底偏置效应的问题。- 16 -