电流镜负载的差分放大器设计

《IC课程设计》报告 ——模拟部分

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........................................................................................................................................ 1 2相关背景知识 ................................................................................................................................ 2 3设计过程........................................................................................................................................ 6

3.1 电路结构设计 .................................................................................................................... 6 3.2 主要电路参数的手工推导 ................................................................................................ 6 3.3 参数验证（手工推导） .................................................................................................... 7 4 电路仿真....................................................................................................................................... 9

4.1 用于仿真的电路图 ............................................................................................................ 9 NMOS： ................................................................................................................................... 9 PMOS ........................................................................................................................................ 9 整体电路图 ............................................................................................................................. 10 4.2 仿真网表（注意加上注释） .......................................................................................... 10 4.3 仿真波形 .......................................................................................................................... 13 5 讨论 ............................................................................................................................................ 17 6 收获和建议 ................................................................................................................................. 17 参考文献......................................................................................................................................... 19

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：

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：id 2. 共模输入电压：vic 3. 差模输出电压：

vvi1 vi2

vi1 vi2

vod vo1 vo2

vo1 vo2

voc 4. 共模输出电压： 5. 双端输入——单端输出的差模电压增益：

Av

2d

g

(m

r

2ds| |

r

ds

6. 双端输入——单端输出的等效栅跨导：

gm k

ro2 rds2

8.

2

u2 C2

ox

W

L

7. 双端输入——单端输出的等效输出电阻：

11

ro4 rds4

2ID2 4ID4

1

2 CL ro2||ro4

带宽公式：BW

gm

9. 增益带宽积：GBW 2 CL

10.NMOS管电流公式：ID

1W2

nCOX() VGS VTH 1 VDS 2L

1

11. 参数

L

12. 当MOS处于饱和区域时有如下：

gm 2ID W nCoxVGS VTH VGS VTH L

P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

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GS1 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GS1 GS 2 V >V ，由于0 D1 D2 I = I + I ， D1 I 相对D2 I 要增加。D1 I 的增加意味着D4 I 和D5 I 也增大。但是，当GS1 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 <V ， OUT I 将变成负。

假设M1 和M2 差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信号性能的相应关系如下：

VID VGS1 VGS2

(7-1)

I0 ID1 ID2 (7-2)

式(7-1)中，VID 表示差分输入电压。

上面假设了M1 和M2 相匹配。将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程，可解出

ID1 和ID2 分别为：

I0I0 224

iD1 VID VID 2

22 I04I0

iD2

I0I0 4

VID2 VID 22 I04I02

2

1

2

12

(7-3) (7-4)

图7-2 是归一化的M1 的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。

图7-2 差分放大器大信号转移特性

该放大器的小信号特性参数等效跨导gm

从图7-2 可以看出，在平衡条件下，M2 和M5 的输出电阻r02 、r05 分别为：

r02

12

(7-5)

ID2 ID0

r05

12

ID5 ID0 (7-6)

(7-7) 于是该放大器的电压增益为：

AV gm

r05||r02

从公式(7-7)虽然可以说明在一定工艺条件下晶体管参数对其的影响，但是

实际上因为从输出管的漏端看到的输入阻抗最大只能达到100 KΩ ，如果该电路的输入跨导只有5mS，那么这种结构能够提供的最大增益也只有40dB。不能满足现在电子产品对电路的需要。其增益曲线见图7-3。

图7-3 基本的差分的增益特性

3设计过程

3.1 电路结构设计

电路由两部分构成：上方的双输入——单输出的差分放大电路，下方的MOSFET镜像电流源。

3.2 主要电路参数的手工推导

按照题目要求，计算出电路各器件的尺寸。 题目要求：低频电压增益AV>100 增益带宽积GBW>25MHZ 负载电容CL=2PF

1

而BW 2 CL ro2||ro4

gm GBW 2 CL

所以2 CL ro2||ro4 >=25 104

gm

>25 106 2 CL

而rds2

11

rds4

4ID4 2ID2

1061

所以>=

2D24D4

而在电路中，ID2=ID4，那么就要算出 2和 而ID

4。

1W2

nCOX() VGS VTH 1 VDS ，故分别对NMOS和PMOS仿真2L

WID11 VDS2

=可以得到，故通过单管的仿真即可求出相应的 ，然后得ID2W1 DS1

出ID2的范围。我们仿真得出的 n=0.01647, p=0.02751,故ID2->71.4323uA。

然后从

gm 4

>25 106可推出：gm>10 。而gm

=gm2 2 CL

且

k

2

u2xCox W

。所以要求W,则得出u2xCox，而在仿真以后我们仿真后发现 2 L 2

-4

0.35um工艺的u2xCox为2.04 10

W

，故 >3.38。

L 2

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。

W取

L

2

=12，则有k

，则

2

u2xCox W

2 L 2

，所以

3

k2 1.2 2 10。取

ID2 70

A

gm2 10 -4

，故增益带宽积为

gm2

GBW =41.7M0>HZ，满足题目要求。 25MHZ

2 CL

取

ID2 70 A

，

则ro2||ro4=

1

=3.25 105

2D24D4

，故

1

BW =24.48 104，所以

2 CL ro2||ro4

AV=170.34>100，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

W 件参数是： =10，

L 2

ID2 144 A，则根据公

式gm2 ，

k

2

u2xCox W

可计算

出

2 L 2

gm2 10

>25MHZ

。

-4

，故

GBW

ro2ro

gm2

=60.96MHZ2 CL

12DD

2

4

然后

45，故BW=

1

= 104，所以1 =50.30

4 CL ro2||ro4 2

.5

AV=121.19>100,满足性能要求。

4 电路仿真

4.1 用于仿真的电路图 NMOS：

PMOS

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:\synopsys\CMOS_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)

*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:\synopsys\CMOS_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

.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:\vf\CMOS_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5V Vss 8 0 -5v

*负电源电压在节点8和0之间，且电压为直流-5V

COUT 3 0 2PF

*负载电容在节点3和0之间，且值为2PF

MP1 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

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144uA

V1I104 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：

WID121 VDS2

=用波形上标出的那两点根据公式（注意：VDSID2W1 DS1

应取绝对值）计算

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°

W gm

gms =uxcoxgms VDSuxcox 因为，且。再直 ,所以

L VGS VT

L

接由公式ux cox

gm

W

VGS VT L

计算出x

u cox=2.04 10

-4

宽长比为4的NMOS单管的仿真波形：