电流镜负载的差分放大器设计概要

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。

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 (12)

4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 (14)

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pF C L 1=

● V VDD 5=

● 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：

1、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。

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、输入共模范围。

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：

()()2D n OX GS TH 1I C ()V V 12DS W V L

μ=-+λ MOS 管等效电阻公式：

22221o ds D r r I ==

λ 44441o ds D r r I ==λ （饱和区）

Gds=λnI D

电压增益： 2(2||4)vd m ds ds A g r r =

增益带宽积：

2m L g GBW C π=

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pF C L 1=

⏹ 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2m

L g GBW C π= ，得；

2m L

g C π>40610⨯ 得； m g >2.51⨯()-410

又有 m g

=2m g = （22x 22ox W u C k L ⎛⎫⎛⎫

⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭） 从工艺库得到：

model nvn nmos ：

+tox= '1.17e-08+toxn' 、+u0= 3.8300000e-02

得：2x ox u C =6.1839⨯()-410

后经仿真计算得到的

2x ox u C =7.8600⨯()-410 选取ID2=15U 得： 2W L ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭>3.396 ，考虑到存在一定误差，2

W L ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭选择10. 要使MN2和MN4同时饱和，最小V in.CM =V dsat2+V th4。仿真得

V dsat2=0.552V 。V th4=0.780V . 得最小输入共模电压V in.CM =1.332V .

仿真得V in.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=3.168V>3V 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V in.CM =1.1V 时，I D4=16.6u ，增益为58.3db ，增益带宽积为32.1MHz 。