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电流镜负载的差分放大器设计.docVIP

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. . 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。 TOC \o 1-2 \h \z \u 一、设计目标(题目) 3 二、相关背景知识 4 1、单个MOSTFET的主要参数包括: 4 三、设计过程 5 1、电路结构 5 2、主要电路参数的手工推导 6 3、参数验证(手工推导) 7 四、电路仿真 7 1、NMOS特性仿真及参数推导 7 2、PMOS特性仿真及参数推导 10 3、最小共模输入电压仿真 13 4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 15 五、性能指标对比 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: 负载电容 对管的m取4的倍数 低频开环增益100 GBW(增益带宽积)30MHz 输入共模范围3V 功耗、面积尽量小 参考电路图如下图所示 设计步骤: 仿真单个MOS的特性,得到某W/L下的MOS管的小信号输出电阻和跨导。 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。 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、输入共模范围。 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。 一旦计算结果达到题目要求,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电流镜负载的差分对。如下图所示。 1、单个MOSTFET的主要参数包括: 1.直流参数: 开启电压Vt,即当Vds为某一固定值使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结构来提高跨导。 小信号电阻 r0 : r0 说明了Vds对Id的影响,是输出特性在某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=λnID 电压增益: 增益带宽积: 三、设计过程 1、电路结构 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: 负载电容 低频开环增益100 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: +tox= 1.17e-08+toxn 、+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。 得输入共模范围大于:4.5-1.332=3.168V3V 事实上当MN2和MN4没有同时饱和也能达到增益和带宽要求,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。 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λn=0.03581. =1的PMOS的λp=0.01791 =4.307

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