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1、電流鏡負載的差分放大器設計摘要在對單極放大器與差動放大器的電路中，電流源起一個大電阻的作用，但不消耗過多的電壓余度。而且，工作在飽和區(qū)的MOS器件可以當作一個電流源。在模擬電路中，電流源的設計是基于對基準電流的“復制”，前提是已經(jīng)存在一個精確的電流源可以利用。但是，這一方法可能引起一個無休止的循環(huán)。一個相對比較復雜的電路被用來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的基準電流，這個基準電流再被復制，從而得到系統(tǒng)中很多電流源。而電流鏡的作用就是精確地復制電流而不受工藝和溫度的影響。在典型的電流鏡中差動對的尾電流源通過一個NMOS鏡像來偏置，負載電流源通過一個PMOS鏡像來偏置。電流鏡中的所有
2、晶體管通常都采用相同的柵長，以減小由于邊緣擴散所產(chǎn)生的誤差。而且，短溝器件的閾值電壓對溝道長度有一定的依賴性。因此，電流值之比只能通過調(diào)節(jié)晶體管的寬度來實現(xiàn)。而本題就是利用這一原理來實現(xiàn)的。一、設計目標（題目）3二、相關背景知識41、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括：4三、設計過程51、電路結構52、主要電路參數(shù)的手工推導63、參數(shù)驗證（手工推導）7四、電路仿真71、NMOS特性仿真及參數(shù)推導72、PMOS特性仿真及參數(shù)推導103、最小共模輸入電壓仿真134、電流鏡負載的差分放大器特性仿真及參數(shù)推導15五、性能指標對比18六、心得18一、設計目標（題目）電流鏡負
3、載的差分放大器設計一款差分放大器，要求滿足性能指標：l負載電容ll對管的m取4的倍數(shù)l低頻開環(huán)增益>100lGBW(增益帶寬積)>30MHzl輸入共模范圍>3Vl功耗、面積盡量小參考電路圖如下圖所示設計步驟：1、仿真單個MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信號輸出電阻和跨導。2、根據(jù)上述仿真得到的器件特性，推導上述電路中的器件參數(shù)。3、手工推導上述尺寸下的差分級放大器的直流工作點、小信號增益、帶寬、輸入共模范圍。1、如果增益和帶寬不符合題目要求，則修改器件參數(shù)，并重復上述計算過程。2、一旦計算結果達到題目要求，用Hspice仿真驗證上述指標。如果仿真得到的
4、增益和帶寬不符合要求，則返回步驟2，直至符合要求二、相關背景知識傳統(tǒng)運算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負載的差分對。如下圖所示。1、單個MOSTFET的主要參數(shù)包括：1.直流參數(shù)：開啟電壓Vt，即當Vds為某一固定值使Id等于一微小電流時，柵源間的電壓。2.交流小信號參數(shù)：PMOS、NMOS的柵跨導gm：gm越大，說明器件的放大能力越強，可以通過設計寬長比大的圖形結構來提高跨導。小信號電阻r0：r0說明了Vds對Id的影響，是輸出特性在某一點上切線斜率的倒數(shù)。3.相關公式：電流公式：MOS管等效電阻公式：（飽和區(qū)）Gds=λnID電壓增益：增益帶寬積：三、設計過
5、程1、電路結構整體電路如上圖。2、主要電路參數(shù)的手工推導根據(jù)題目要求：n負載電容n低頻開環(huán)增益>100nGBW(增益帶寬積)>30MHz因以上公式不考慮溝道長度調(diào)制效應和體效應，所以理論計算和實際值會有一定誤差，因此在此將增益帶寬積提升為40MHz。由，得；>40得；>2.51又有=（）從工藝庫得到：modelnvnnmos：+tox='1.17e-08+toxn'、+u0=3.8300000e-02得：=6.1839后經(jīng)仿真計算得到的=7.8600選取ID2=15U得：>3.396，考慮到存在一定誤差，選擇10.要使MN2和MN4同時飽和，最小Vin.CM=V
6、dsat2+Vth4。仿真得Vdsat2=0.552V。Vth4=0.780V.得最小輸入共模電壓Vin.CM=1.332V.仿真得Vin.CM=4.5V時，增益為45db，增益帶寬積為53MHz.仍滿足要求。得輸入共模范圍大于：4.5-1.332=3.168V>3V事實上當MN2和MN4沒有同時飽和也能達到增益和帶寬要求，輸入共模電壓Vin.CM=1.1V時，ID4=16.6u，增益為58.3db，增益帶寬積為32.1MHz。3、參數(shù)驗證（手工推導）根據(jù)上節(jié)的電路器件尺寸，通過手工推導出電路要求設計的各項指標。并將計算出來的指標與要求進行對比。如果實際電路未能
7、達到設計要求，則還需返回上一節(jié)的計算和推動過程，直至所設計電路符合題目要求。為了減小面積并增大增益，PMOS的寬長比選取為1.仿真得=10的NMOS的λn=0.03581.=1的PMOS的λp=0.01791=4.307.故增益帶寬積為=68.548MHz>30MHz，滿足題目要求。Ro2
8、
9、Ro4==1.241106故=534.5>100.滿足要求。四、電路仿真1、NMOS特性仿真及參數(shù)推導單個NMOS管以二極管形式連接，如圖，其中電流I=15u，W=20U，L=2U,VDD=5V.仿真網(wǎng)表：.prot.lib'E:viewlogic
