差分放大器-模拟集成电路课程设计
CMOS模拟集成电路设计ch差分放大器实用学习教案
共模(ɡònɡ mó)增益为：
Av,CM
RD / 2
1 / (2gm ) RSS
RD 2RSS
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小信号共模特性—RD失配(shī pèi)对共模响应的影响
ห้องสมุดไป่ตู้
VX Vin,CM
1
gm 2 gm RS S
RD
VY Vin,CM
1
gm 2 gm RS S
( RD
RD )
input common mode range,
)是：
只要在ICMR范围内
所以(suǒyǐ)共模电平一般选
在
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右侧(yòu cè) 附近
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定量分析(dìngliàngfēnxī)
大信号分析（略）
小信号分析(fēnxī)
方法一（叠加法）（略）
Rs＝1/gm2 第9页/共30页
当Vin1比Vin2更正时，差动对两侧情况正好 与上述情况相反。
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6
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两个(liǎnɡ ɡè)特点：
输出端的最大电平和最小电平分别是VDD和 VDD-RDISS，与输入(shūrù)共模电平无关
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7
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当Vin, CM＝0时，ID1=ID2=ID3=0， M1、
4.3 共模(ɡònɡ mó) 响应
差动电路对共模扰动影响具有(jùyǒu)抑制作用，理想差动电路 的共模增益为零；但是实际上有以下一些非理想的因素
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小信号(xìnhào)共模特性—RSS对共模响应的影响
VP随Vin,CM的变化而变化，若Rss为有限大小，则尾电流 随VP增加而增加， Vout1和Vout2会随之减小。 但如果电路完全(wánquán)对称，Vout1和Vout2仍然相等， 不会引入差分增益
CMOS模拟集成电路设计课程设计
CMOS模拟集成电路设计课程设计概述本设计以CMOS工艺为基础，要求完成一个简单的模拟集成电路的设计。
本课程旨在让同学们获得实践经验，强化相关知识的掌握程度，提高实验能力。
本设计的主要内容包括：基本电路设计、实验测试以及技术文献综述。
设计目标设计一个可靠、高性能且低功耗的CMOS模拟电路。
本设计中，将以一款CMOS 芯片为基础，使用新一代技术来实现其设计方案。
该方案应考虑到多个设计要素，如速度、功耗、面积、噪声等等。
设计过程基本电路设计本设计中的基本电路为一个基本差分放大器电路，该电路的特点是它可以将平衡的差分信号转换成单端输出信号。
差分放大器有以下几个优点：•高CMRR值•提高电压增益•减少同相信号噪声此外，差分放大器也具有以下几个劣势：•增加了复杂度•增加了功耗•增加了芯片面积实验测试完成差分放大器电路设计后，应进行实验测试以验证其性能。
在本设计中需要进行以下测试：•静态电流测试•差分输入电压放大测试•CMRR测试•带宽测试技术文献综述在本设计的最后阶段，应完成技术文献综述。
在这一部分，学生需要在IEEE、ACM、IEEEXPLORE等学术平台中寻找与本设计相关的学术论文，并对其内容进行概述、分析和讨论，以进一步理解CMOS模拟集成电路设计的核心原理。
结论本设计可以让学生获得机会与机器设计专业知识方面的知识和技能，同时将其与实际工程实践相结合。
本设计可用于培养学生的分析、协作以及研究技能，以满足我们日益增长的需求。
对于这些方面的学习，不仅可以从学术上获得好处，还可以为实际工程做好准备，开发出更优秀的产品。
模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器分解
模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器分解差分放大器是CMOS集成电路设计中非常重要的一部分，它在电信号放大、差分信号处理和模拟信号传输等领域具有广泛的应用。
本文将对CMOS集成电路设计中的差分放大器进行分解，以帮助读者更好地理解和应用这一核心电路模块。
差分放大器是一种由两个输入端和一个输出端组成的放大器，它的特点是能够放大两个输入信号的差值，并抑制共模信号（即两个输入信号的平均值）。
差分放大器常用的两种结构是共源共栅结构和共源共栅共源共栅结构。
下面将详细介绍这两种结构的分解方法。
1.共源共栅结构的分解共源共栅结构的特点是输入信号通过共源极放入电路，输出信号通过共栅极输出。
它的优点是输入电阻高、增益稳定，适用于高频和宽频带应用。
首先，我们来看一下共源共栅结构的电路原理图。
它由一个共源极M1、一个共栅极M2和一个负载电阻RL组成。
其中，M1的栅、漏极与输入信号相连，M2的源极与M1的源极相连，并通过电流源IB偏置。
负载电阻RL连接在M2的漏极和M1的源极之间。
接下来，我们对这个电路进行分解。
首先，将M1和M2的直流工作点确定。
假设输入信号为微弱的交流信号，可以将M1和M2视为理想可变电阻，其中M1的栅极和漏极之间的电压为vgs1，M2的栅极和源极之间的电压为vgs2、根据共源共栅和平衡电流假设，可以得到：id1 = id2 = id/2gm1vgs1 = gm2vgs2其中，id为分配给两个MOS管的总漏源电流，gm1和gm2分别为M1和M2的跨导。
然后，通过公式计算共源共栅结构的增益，可以得到：Av = -gm2RL最后，在进行差分模式和共模模式的分析。
差分模式下，输入信号为vcm-vd，其中vcm是共模信号，vd是差模信号。
共模模式下，输入信号为(vcm1+vcm2)/2、根据共模模式下输出电流为零的条件，可以得到共模抑制比CMRR与差分增益Av的关系为CMRR = Av/2gm.2.共源共栅共源共栅结构的分解共源共栅共源共栅结构是一种衍生自共源共栅结构的放大器，它包含两对共源共栅结构，具有更高的增益和更稳定的工作特性。
差分放大器-模拟集成电路课程设计
一、设计要求低频增益: > 80 dB；单位增益带宽: > 50 MHz；负载电容: =5pF（可调整）；相位裕量: >60°；增益裕量: >12dB。
二、电路结构的选择1.共源共栅结构：运算放大器的的结构主要有三种:(1)简单两级运放；(2)折叠共源共栅；(3)共源共栅。
共源共栅放大器的特点：(1)结合了CS、CG放大器的优点，Av较大且频带宽；(2)输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损失，在低电源电压运用中是致命的；（3）在低电源电压电路中共源共栅结构因为要消耗过多的电压余度运用较少，此时需要多级CS放大器才能达到需要的增益，这会给放大器的补偿带来更大困难。
折叠式共源共栅放大器的特点：(1)与套筒式结构相比，输出电压摆幅较大些；(2)折叠式共源共栅放大器的功耗较大、电压增益较低、极点频率较低、噪声较高；(3)可使输入共模电平接近电源供给的一端电压。
2.反相放大器：COMS反相器通常由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。
通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。
COMS反相器具有如下特点：(1)静态功耗极低。
在稳定时，COMS反相器工作时，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。
(2)抗干扰能力强。
由于其阈值电压近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。
(3)电源利用率高。
VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围。
(4)输入阻抗高，带负载能力强。
本设计采用共源共栅结构和反相放大器级联的方式来达到设计要求。
首先采用共源共栅结构作为差分当大器的第一级，承担主要的放大能力以及尽可能宽的单位增益带宽。
反相器作为第二级主要作为阻抗匹配，提高输出的带载能力，同时具有放大功能。
同时在第二级输入和输出之间加入串联RC负反馈网络，作为频率补偿，提高系统的稳定性，防止放大器自激。
差分放大电路课程设计
差分放大电路课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握差分放大电路的基本原理，理解差分放大电路在模拟电子技术中的应用；2. 学会分析差分放大电路的静态工作点、电压增益、输入输出电阻等性能参数；3. 了解差分放大电路的优缺点，及其在信号处理中的重要性。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识设计差分放大电路的能力；2. 提高学生通过实验和仿真等方法验证差分放大电路性能的能力；3. 培养学生运用Multisim等软件进行差分放大电路设计和分析的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对模拟电子技术的学习兴趣，培养其探索精神和创新意识；2. 培养学生严谨的科学态度，使其在电路设计和分析过程中遵循实验事实，尊重科学规律；3. 引导学生关注差分放大电路在现代电子技术中的应用，提高其社会责任感和使命感。
本课程针对高年级电子技术相关专业学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。
通过本课程的学习，使学生能够掌握差分放大电路的基本理论，具备实际设计和分析能力，培养其创新意识和科学精神，为后续专业课程学习和工程实践打下坚实基础。
二、教学内容本章节教学内容依据课程目标，结合教材第二章“模拟放大电路”相关内容，进行如下安排：1. 差分放大电路基本原理- 差分放大电路的定义及分类；- 差分放大电路的工作原理；- 差分放大电路的特点。
2. 差分放大电路性能分析- 静态工作点的设置与计算；- 电压增益的分析；- 输入输出电阻的计算。
3. 差分放大电路设计方法- 设计差分放大电路的基本步骤；- 选取合适的元件和参数；- 电路图绘制与仿真。
4. 实际应用案例分析- 案例介绍：差分放大电路在音频放大器中的应用；- 案例分析：探讨差分放大电路在信号处理中的作用；- 案例讨论：差分放大电路的优势与局限性。
5. 教学实验与仿真- 实验目的与要求；- 实验步骤与方法；- 仿真软件（如Multisim）的使用。
教学进度安排：第1-2周：差分放大电路基本原理；第3-4周：差分放大电路性能分析；第5-6周：差分放大电路设计方法；第7周：实际应用案例分析；第8周：教学实验与仿真。
模拟集成电路设计——两级全差分高增益放大器设计_2
全差分高增益放大器的设计一、设计产品名称全差分高增益放大器二、设计目的1.掌握模拟集成电路的基本设计流程；2.掌握Cadence基本使用方法；3.学习模拟集成电路版图的设计要点；4.培养分析、解决问题的综合能力；5.掌握模拟集成电路的仿真方法；6.熟悉设计验证流程方法。
三、设计内容全差分高增益放大器（Full-differential OTA）是一种非常典型的模拟IP, 在各类模拟信号链路、ADC.模拟滤波器等重要模拟电路中应用广泛, 是模拟IC 设计人员必需掌握的一种基础性IP 设计。
采用华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 设计一款全差分高增益放大器电路, 完成电路图设计、前仿真、Layout 设计和物理验证（DRC&LVS）。
考虑以下OTA 架构：图1 OTA架构四、电路设计思路模拟集成电路的设计分为前端与后端, 设计流程可以分为明确性能要求、选择电路结构、计算器件参数、原理图绘制、前仿真、版图绘制、DRC设计规则检查、LVS版图与电路图一致性检查、寄生参数提取及后仿真、流片测试。
本次实验使用基于华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 实现模拟集成电路全差分高增益放大器的全流程设计与仿真。
（1）性能指标:需要验证三种PVT Corner:a) 电源电压1.8V, 温度27℃, corner 为TT；b) 电源电压1.6V, 温度80℃, corner 为SS；c) 电源电压2.0V, 温度-40℃, corner 为FF；要求各Corner 下开环技术指标（含Cload=10fF）:①放大器开环DC 增益Av0≥90dB；②0dB 带宽BW0≥500MHz；③相位裕度Phase Margin≥50°。
④DC 抑制比PSRR-0≥60dB, （3*2=6 分）⑤10MHz 时抑制比PSRR-10M≥45dB。
3.1模拟集成电路设计-差分放大器电路设计
集成电路设计实习Integrated Circuits Design LabsI t t d Ci it D i L b单元实验三（第一次课）模拟电路单元实验－差分放大器电路设计2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University实验内容、实验目的、时间安排z实验内容：z设计差分放大器z对电路进行直流、交流、瞬态分析z目的：z掌握模拟集成电路单元模块的设计分析方法z时间安排：z一次课完成差分放大器的电路设计Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1实验要求z设计图示差分放大器z尺寸需调整z放大器性能指标要求z负载电容C=2pFLz VDD=5Vz放大管的Vdsat=200±30mVz对管的m取4的倍数z低频开环增益>100z GBW>25MHzz PM>60z共模输入范围>3Vz功耗、面积尽量小Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2实验结果记录z请记录如下数据z各晶体管尺寸（m、W、L）z各晶体管的Vdsatz低频开环增益、GBW、PMz直流功耗、瞬态功耗平均值及对应跳变频率z转换速率（上升、下降分别记录）z单位缓冲接法，输入1V跳变时，输出端的信号建立时间（20μV）z上升、下降分别记录z实验方法，参见P5～P32Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3创建放大器的电路（按下列尺寸设置）z M0、M1的尺寸z M=4, W/L=2/2z M2的尺寸z M2, W/L2/2M=2W/L=2/2z M5的尺寸M1W/L2/2z M=1, W/L=2/2z M3、M4的尺寸z M=4, W/L=2/2z vp：正输入端z vn：负输入端Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4创建放大器的SymbolInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page5创建Power的电路图z如图创建Power的电路z创建Power的Symbol Viewz仅供仿真时调用！！！Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page6创建放大器的仿真电路（DC/AC仿真）z正输入端vp，加激励信号，DC＝2.5，AC magnitude＝1V负输入端，大电阻（）、大电容（）反馈z vn1G1FInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page7放大器的仿真电路：z I3：提供电流源z C2：放大器的负载z R0：1Gz C0：1Fz I0：调用PowerInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page8常用Analyses设置z Tran：瞬态z DC：直流z AC：交流设置完毕后运行Simulation，然后可以查看Simulation Results Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page9直流/交流分析设置z直流分析：直流工作点z交流分析：起止频率设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page10z Results->Print->DC Operating Points->鼠标点击元件->弹出对话框Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page11βr的倒数该元件的功耗Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page12z Results->Direct Plot->AC Gains & Phase->进入Schematic ViewInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page13z View的左下角显示：Select first point然后鼠标左键点击（p为输出结点）z vout First pointInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page14z first point选定后，View的左下角显示：Select second point然后鼠标左键点击p（p为输入结点）z vp Second pointInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page15z弹出图示窗口：两条曲线表示幅频特性与相频特性Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page16z低频增益测量：在较低频率处测量幅频特性曲线的纵坐标值如图测得的低频增益为z41.1898dBInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page17z增益带宽积测量：幅频特性曲线幅度为0dB时对应的频率注意：标尺很难完全定位到0dB，所以允许误差在正负50m dB以内z注意：标尺很难完全定位到0dB，所以允许误差在正负50m dB以内z测得增益带宽积为6.31193MHz增益带宽积Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page18z相位裕度测量：使用B标尺在增益带宽积频率处，测相移z PM (Phase Margin)=180+Phase88o(g)，图中相位裕度约Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page19Results: Circuit Conditionsz查看电路元件的工作状态：Results->Circuit Conditionsz放大管、负载管、电流镜等均应工作于饱和区z开关管工作于线性区z线性区：红色显示1、选项设置2、图中显示Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page20单位增益接法的放大器电路：输入为阶跃脉冲信号Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page21瞬态仿真设置z Analysis->Choose ，弹出窗口选择精度设置Conservative ：精度高Moderate ：中等精度Liberal Institute of Microelectronics, Peking University 集成电路设计实习－单元实验三Page 22：仿真速度快z第一步：将标尺A放置于平台区靠右的区域第二步：将标尺从点往左移动，直到||μz B A|Delta Y|≈20Vz第三步：将标尺A移动到跳变起始点，测Delta X，即为建立时间Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page23z Delta X，即为建立时间测得的建立时间为z414.419nsInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page24转换速率测试z A点：跳变点右侧；B点：远离斜率变化区域测得转换速率为z10.3043MV/secInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page25功率测试（保存Power信号的设置）z Outputs->Save All…->弹出Save Options窗口->如下设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page26z Tools->Results Browser->弹出窗口中点击OK在中z Results Browserz Schematic->psf->Run1->tran-tran->I8->pwr->双击鼠标I8单元的功耗Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page27z双击鼠标后弹出Calculator窗口选择p g，然后点击z Special Functions->Average Printz平均功耗为：111.944μWInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page28功率测试（直流功耗）z在Results Browser中z Schematic->psf->Run1->dcOp-dc->I8->pwrInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page29z Analyses->Choose->dc->Component Parameterz Select Component Schematic 点击p ，然后在中选择扫描源z Component NameParameter Namez Parameter Name 扫描源的起止Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page 30扫描源的起z输出电压随直流量的变化Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page31。
模拟集成电路课程设计差分放大器设计报告
模拟集成电路课程设计--差分放大器设计报告设计报告姓名：徐彭飞学号：201221030137 姓名：杨萍学号：201250300004差分放大器设计报告设计内容：设计一个差分放大器的模拟集成电路模块，给出电路原理图，对电路进行直流、交流、瞬态分析并给出仿真结果，给出简单的集成电路版图。
差分放大器的性能指标：1、负载电容CL=2pF2、VDD=5V3、放大管的Vdsat=200±30mV4、对管的m取4的倍数5、低频开环增益>1006、GBW>25MHz7、PM>608、共模输入范围模输入范围>3V一、电路原理图：器件尺寸：M0、M1的尺寸：M=4, W/L=2/2 M2的尺寸：M=2W, /L=W/L2/22/2 M5的尺寸：M1=1W, /L2=/22/2 M3、M4的尺寸：M=4, W/L=2/2 vp：正输入端 vn：负输入端二、电路原理图符号：三、仿真时的Power电路：四、差分放大器的DC/AC仿真（一）放大器的DC/AC仿真电路原理图：正输入端vp：加激励信号，DC＝2.5，AC magnitude＝1V 负输入端vn：大电阻（1G）、大电容（1F）反馈I3：提供电流源C2：放大器的负载大器的负载R0：1GC0：1FI0：调用Power（二）MOSFET的直流工作点：（三）交流分析得到的带宽、增益、相位裕度：五、单位增益接法的放大器电路的瞬态仿真（一）单位增益接法的放大器电路原理图：输入为阶跃脉冲信号（二）瞬态仿真输出波形（三）直流扫描（输出电压随直流量的变化）六、简单的电路版图。
模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器.
ΔVinmax
2ISS 故允许输入的最大差模电压范围△V 为： ID =β
2ISS （这就是电路能处理信号的最大差模电压。） ΔVID = β
差动放大器4 # 14
基本差分对的定量分析(4)
4. 因△ID是△Vin的奇函数，故有：
ΔID(t)=αΔV 1 in(t)+αΔV 3 in (t)+αΔV 5 in (t)+......
gmR D VY = A VX VT = Vin 2
差动放大器4 # 19
差分对的小信号特性(3)
gmR D VX = A VX Vin1 = Vin1 2 gmR D VY = A VX VT = Vin1 2 (VX-VY ) |Vin1=∆Vin=-gmRD ∆Vin
(VX-VY ) |Vin2=-∆Vin=-gmRD ∆Vin
差动放大器4 # 18
差分对的小信号特性(2)
利用叠加定理 ,先考虑Vin1的 作用,再求VY
1 1 RT = = g m1 g m
VT=Vin RL1 求开路电压VT
这是CG放大器
利用小信号等 效电路,可求得:
g m1R L1R D1 利用CG放大器已有公式: VR L1 = Vin 1+ g m1R L1 g m2R D gmR D g m1R L1R D1 A VX = = VT = lim VR L1 = Vin = Vin 1+ g m2R T 2 R L1 →∞ 1+ g m1R L1
简 单 差 动 对
如何减小输入共模电平变化的影响呢?
差动放大器4 # 5
基本差动对
Vin1-Vin2 足够负, M1截止, M2导通 Vin1-Vin2 相差不 大时, M1 和 M2 均 导通
复旦微电子-模拟集成电路设计-差分放大器-PPT精品文档
如图是小信号等效电
g V V m 1 in P
V V V in in 1 in 2
V V V V V p in 1 GS 1 in 2 GS 2
V V V V V in in 1 in 2 GS 1 GS 2
V V V TH 1 TH 2 in
2 I D 1
2 I D 2
( 1 )
差动信号增大了可得到的电压摆幅 。
输出摆幅：
VDD Veff
（单端）
V V V DD ef f
（差分） 2 V V DD eff
V V V DD eff
单端和差分工作的特点
差动放大器的偏置电路更简单。 一路尾电流源可以确定差动放大器的偏置。 差动信号具有更高的线性度 差动电路具有“奇对称”的输入输出特性，故由差 动信号驱动的差动电路没有偶次（二次）谐波。呈 现的失真比单端电路小的多。 差动电路的面积较大 差动电路采用对管代替单管以得到和单端相同的增 益。因此，电路的面积增加了。但要达到同样的性 能，如线性度、抑制非理想的影响，使用单端设计 得到的面积可能更大。
单端和差分工作的特点
差动工作相当于单端工作的优点：
对环境噪声具有更强的抗干扰能力 例如：相邻的时钟线对信号线的干扰 。
差分工作
单端工作
L1对L2和L3的干扰幅度大小相等，方向相同。差分信号没有改变。
单端和差分工作的特点
例如：对电源噪声同样具有更强的抗干扰能力 。
电源对Vx和Vy的干扰幅度大小相等，方向相同。差分信号没有改变。
??????????????????????????????????????????????????????????????1112121212121sstsssstssssttgsgsosiviiviivvvvv??xx211121??????????????????????4212sstsstosivivv基本差动对的定量分析llwwlwcoxn????????????假定不变
实验3 差分放大电路设计实验
模拟电路课程设计报告题目：差分放大器设计专业年级：2012级通信工程组员：20121342104 王开鹏20121342105 王娜20121342107 王象指导教师：方振国2014年11月27日差分放大器设计一、实验内容设计一具有恒流源的单端输入一双端输出差动放大器。
VCC =12V，VEE=－12V，R L =20kΩ，Uid=20Mv。
性能指标要求R id>25kΩ，A vd≥25，K CMR>60Db。
二、实验原理图3.3.31、恒流源差分放大器在生产实践中，常需要对一些变化缓慢的信号进行放大，此时就不能用阻容耦合放大电路了。
为此，若要传送直流信号，就必须采用直接耦合。
差分式直流放大电路是一种特殊的直接耦合放大电路，要求电路两边的元器件完全对称，即两管型号相同、特性相同、各对应电阻值相等。
为了改善差分式直流放大电路的零点漂移，利用了负反馈能稳定工作点的原理，在两管公共发时极回路接入了稳流电阻R E和负电源V EE，R E愈大，稳定性愈好。
但由于负电源不可能用得很低，因而限制了R E阻值的增大。
为了解决这一矛盾，实际应用中常用晶体管恒流源来代替R E，形成了具有恒流源的差分放大器，电路如图3.3.3所示。
具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。
特别是在模拟集成电路中，常被用作输入级或中间放大级。
图3.3.3中，V1、V2称为差分对管，常采用双三极管，如5G921、BG319或FHIB等，它与信号源内阻R b1、R b2、集电极电阻R Cl、R C2及电位器RP共同组成差动放大器的基本电路。
V3、V4和电阻R e3、R e4、R共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流I o。
电路中R1、R2是取值一致而且比较小的电阻，其作用是使在连接不同输入方式时加到电路两边的信号能达到大小相等、极性相反，或大小相等、极性相同，以满足差模信号输入或共模信号输入时的需要。
晶体管V1与V2、V3与V4是分别做在同一块衬底上的两个管子，电路参数应完全对称，调节RP 可调整电路的对称性。
课程设计差分放大电路
课程设计差分放大电路一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握差分放大电路的基本原理，理解差分输入、输出方式的特点；2. 使学生了解差分放大电路在模拟电子技术中的应用，如信号放大、滤波等；3. 引导学生掌握差分放大电路关键参数的计算方法，如增益、输入阻抗、输出阻抗等。
技能目标：1. 培养学生能够正确绘制差分放大电路原理图，并对其进行仿真分析；2. 培养学生通过实验操作，验证差分放大电路性能，并能够分析实验数据，优化电路设计；3. 提高学生运用差分放大电路解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子技术的兴趣，激发他们探索科学奥秘的热情；2. 培养学生严谨的科学态度，养成认真观察、分析问题的习惯；3. 增强学生的团队协作意识，提高他们交流、沟通的能力。
课程性质：本课程为电子技术基础课程，以理论教学与实践操作相结合的方式进行。
学生特点：学生具备一定的电子技术基础知识，对差分放大电路有一定了解，但对实际应用和电路设计尚缺乏经验。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和问题分析能力，使学生在掌握差分放大电路知识的基础上，能够将其应用于实际电路设计中。
通过本课程的学习，达到分解后的具体学习成果，为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 理论知识：- 差分放大电路的基本原理及其特点；- 差分放大电路的电压增益、输入阻抗、输出阻抗等关键参数的计算方法；- 差分放大电路在模拟电子技术中的应用场景，如信号放大、滤波等。
教学内容与教材关联章节：《模拟电子技术》第五章第二节“差分放大电路”。
2. 实践操作：- 差分放大电路原理图的绘制；- 使用Multisim等仿真软件对差分放大电路进行仿真分析；- 实验室搭建差分放大电路，验证其性能，并进行数据采集与分析。
实践操作与教材关联章节：《模拟电子技术实验》第三章“差分放大电路实验”。
3. 教学进度安排：- 第一周：差分放大电路基本原理及其特点；- 第二周：差分放大电路关键参数计算方法；- 第三周：差分放大电路应用场景及电路设计；- 第四周：实践操作，包括原理图绘制、仿真分析及实验操作。
课程实验七 模拟电路单元版图设计-差分放大器
华侨大学电子工程系IC工艺及版图设计课程实验（六）模拟电路单元版图布局（2）差分放大器华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室-2010-模拟电路单元版图布局②差分放大器IC工艺及版图设计课程实验七模拟电路单元版图布局-差分放大器一、实验目的1.掌握使用Cadence Virtuoso XL版图编辑软件进行模拟IC版图布局设计2.掌握两级差分放大器电路版图布局3.通过实验掌握低等精度度匹配（以下简称低度匹配）MOSFET的布局方法二、实验软件：Cadence IC 5141 Virtuoso Layout XL三、实验要求：实验前请做好预习工作，实验后请做好练习，较熟练地使用Virtuoso软件对版图进行布局设计，通过实验逐渐掌握低度匹配MOSFET的布局方法。
华侨大学电子工程系（The Department of Electronic Engineering Huaqiao University）1模拟电路单元版图布局②差分放大器第一部分实验演示部分集成电路版图设计是一门技术，它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基础知识。
但是它更需要设计者的创造性、空间想象力和耐性，需要设计者长期工作的经验和知识的积累。
然而集成电路版图设计不仅仅是一门技术，还是一门艺术。
设计出一套符合设计规则的“正确”版图也许并不困难，但是要设计出最大程度体现高性能、低功耗、低成本、性能可靠的芯片版图却不是一朝一夕就能学会的事情。
在设计CMOS芯片时，主要的目标是优化芯片尺寸和提高密集度。
在模拟设计中，主要的目标不再是优化芯片尺寸，而是优化电路的性能、匹配程度、速度和各种方面的问题。
例如。
布线尺寸是否满足电流密度的要求？寄生效应是否太高？匹配技术是否恰当。
当然，面积在某种程度上仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题，记住在模拟版图设计中，性能比尺寸更重要。
在上次次实验中我们已经初步了解了低度电流镜匹配的布局方法，在本次实验中我们将涉及模拟电路版图中两级放大器的版图布局。
模电课设差分放大器
实验差分放大电路一：设计题目：长尾式差分放大电路二：设计指标：双端输出时，差模电压放大倍数：|A d|=20~30,共模电压放大倍数：|A c|~0;单端输出时，A d1=,A d2=,|A c1|=|A c2|=0~1;输出电阻：R o=40~50KΩ。
三：实验目的：（1）加深对差动放大器的性能和特点的理解。
（2）学习差动放大器的主要性能指的标标的测试方法。
（3）了解电路产生零漂的原因和抑制方法。
（4）学会调节差分放大电路的静态工作点。
（5）掌握差分放大电路的双端输入，单端输出的共模电压放大倍数和共模抑制比的测试方法。
（6）掌握差分放大电路在不同输入，输出模式时差模电压放大倍数的测试方式四:实验仪器与器件（1）计算机。
（2）Multism仿真软件。
（4）数字电压表。
（5）双踪示波器。
（6）交流毫伏表。
（７）12V的直流电源。
（８）函数信号发生器。
（９）晶体三极管，电阻，电容等五：预习要求:1．根据直流稳压电源的技术指标要求，按照教材中介绍的方法，设计出满足技术指标要求的稳压电源。
根据设计与计算的结果，写出设计报告。
2．制定出实验方案，选择实验用的仪器设备，：六、设计原理：为了充分利用集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路形式。
1、将两个电路结构、参数均相等的单管放大电路组合在一起，就成为差分放大电路的基本形式，如图（a），输入电压u I1和u I2分别在两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压之差。
a.差分放大电路的基本形式在理想情况下，电路中左右两部分三极管的特性和电阻有参数均完全相等，则当输入电压等于零时，U CQ1=U CQ2,故输出电压U O=0。
如果温度升高使I CQ1增大，U CQ1减小，则I CQ2也将增大，U CQ2也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果VT1的VT2输出端的零点漂移将互相抵消。
2、为了进一步减小每个管子输出端的温漂，设计了长尾式差分放大电路。
3.2模拟集成电路设计-差分放大器版图
集成电路设计实习Integrated Circuits Design LabsI t t d Ci it D i L b单元实验三（第二次课）模拟电路单元实验－差分放大器版图设计2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University实验内容、实验目的、时间安排z实验内容：z完成差分放大器的版图z完成验证：DRC、LVS、后仿真z目的：z掌握模拟集成电路单元模块的版图设计方法z时间安排：z一次课完成差分放大器的版图与验证Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1实验步骤1.完成上节课设计放大器对应的版图对版图进行、检查2.DRC LVS3.创建后仿真电路44.后仿真（进度慢的同学可只选做部分分析）z DC分析：直流功耗等z AC分析：增益、GBW、PMz Tran分析：建立时间、瞬态功耗等Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2Display Optionz Layout->Options->Displayz请按左图操作Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3由Schematic创建Layoutz Schematic->Tools->DesignSynthesis->Layout XL->弹出窗口->Create New->OK>选择Create New>OKz Virtuoso XL->Design->Gen FromSource->弹出窗口z选择所有Pinz设置Pin的Layerz UpdateInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4对管的共质心画法：相对位置放置z设A管、B管为对管，共8个Multiplier将管的前个p合在一起，置于左上角z A4Multiplierz将A管的后4个Multiplier合在一起，置于右下角z将B管的前4个Multiplier合在一起，置于右上角z将B管的后4个Multiplier合在一起，置于左下角ABABInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page5对管的共质心画法：层间互连单元的调用z调用单元z CSMC05MS中的POLY_M1z View为symbolicz设置z Column：Contact列数C l C t tz Row：Contact行数z其余可供调用的层间互连单元z DIFF_M1DIFF M1z M1_M2z M2_M3z Ntapz PtapInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page6对管的共质心画法：连线z A管中前4个Multiplier的连线pz挪动B管前4个Multiplier的位置，复制上图中的相关连线（注意：使用上下镜像功能）z按c，鼠标左键拉框，选定一组连线z按F3，选择上下镜像z将复制后的连线放到合适的位置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page7对管的共质心画法：连线、隔离z使用ptap将N型MOSFET围起来z固定衬底电压、隔离数字干扰ABABInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page8Ntap、ptap的尺寸z尺寸：z Tap lengthz Tap widthz根据需要设置Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page9显示未完成的连线：查找未完成的连线时使用z Connectivity->Show IncompleteNetsz未完成的连线Listz红框表示该连线被Selectedz放大显示未完成的连线z未完成连线的相关信息Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page10查找DRC错误标识z Verify->Markers->Find，弹出窗口设置z Zoom To Markersz按Apply显示当前DRC错误标识，按Next显示下一个标识z回到版图窗口，按Shift+z缩小显示目标，查看标识的具体原因Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page11查找LVS的未匹配处z首先：LVS结束后，查看Output结果z若查看结果很难找出未匹配处，请按如下方法查找1.打开电路的extracted view2.在extracted view中:Verify>LVS>Error Display，弹出窗口2extracted view:Verify->LVS->Error Display3.设置Auto-Zoom，按First、Next可显示LVS失配（佐以shift+z）4.记录失配原因与坐标，回到Layout View查看该坐标处的版图信息4Layout ViewInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page12后仿真（第一步）：Build Analog1.复制某单元的Layout View到新单元2.执行Extract3.LVS双方均填写extracted4.Run & Build Analog5.Include All & OKInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page13后仿真（第二步）：Create Symbol1.打开任意一个Schematic View2.Design->Create Cellview->FromCellview，弹出右上窗口3.点击Browse，弹出右下窗口4.选后仿单元的Analog_extracted参考由Schematic生成SymbolInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page14后仿真（第三步）：仿真设置1.调用analog_extracted生成的symbol，创建仿真电路启动（g g）2.ADE Analog Design Environment3.ADE->Setup-> Environment，弹出窗口4.在Switch View List中添加analog_extracted4Switch View List analog extractedInstitute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page15。
模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器剖析
模拟CMOS集成电路设计第四章差分放大器剖析第四章差分放大器是模拟CMOS集成电路设计中的重要内容。
差分放大器是一种基本的电路结构，用于放大差分信号，具有功率增益高、抗干扰能力强等特点。
在本章中，将对差分放大器的原理、结构以及常用的设计方法进行剖析。
差分放大器的基本原理是利用两个互补的输入信号来放大差分信号，以提高共模信号的抵抗能力。
其硅上集成电路结构是由两个互补的差分对称结构组成，输入端与输出端相互交错连接。
在输入端，通过两个电流源提供定电流给差分对称结构，从而形成了输出端的差分输出信号。
通过合理的电路设计和调整输入电流、电压等参数，可以实现差分放大器的不同功能和性能。
差分放大器的结构主要由输入级、中间级和输出级组成。
输入级主要起到放大差分信号的作用，输入对称性好，起到抵消共模信号的作用。
中间级是为了提高放大倍数和频率响应而设计的，起到归一化和驱动输出级的作用。
输出级是为了放大电流而设计的，输出电流只与力度源的电流有关，可以通过调整力度源的电流大小来改变输出电流。
在差分放大器的设计中，需要注意一些关键的参数和指标。
其中，差分增益是指输入差分信号与输出差分信号之间的比例关系，一般用dB来表示。
共模抑制比是指在输入信号中存在共模信号时，输出信号中共模信号的相对衰减程度，一般用dB来表示。
输入偏置电流是指输入电流偏离理想值的程度，一般用nA级别来表示。
输入电阻和输入电容是指输入端对于差分信号和共模信号的阻抗和容性，一般用Ω和F来表示。
在差分放大器的设计中，可以采用多种方法来实现不同的功能和性能。
例如，可以通过引入电流源、电阻、电容等器件来调整放大倍数和频率响应。
可以通过选择不同的电流源来改变差分放大器的工作模式，例如共基极模式、共射极模式等。
可以通过串联和并联电阻、电容等元件来调整放大器的输入和输出阻抗。
可以通过使用不同的差分对称结构来实现不同的特性，例如双极性、互补型等。
综上所述，差分放大器是模拟CMOS集成电路设计中的重要内容。
模拟cmos集成电路设计拉扎维第4章差分放大器ppt课件
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差分放大器
优点
抗干扰能力强，高线性度等 和单端电路相比，差分电路规模加倍
与获得的性能提高相比，这个不算做缺点
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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本讲
差分放大器简介 简单差分放大器 基本差分对放大器
大信号差分特性 大信号共模特性 小信号差分特性 小信号共模特性
MOS管做负载的基本差分对放大器 差分放大器的应用－Gilbert单元
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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本讲
差分放大器简介 简单差分放大器 基本差分对放大器
大信号差分特性 大信号共模特性 小信号差分特性 小信号共模特性
MOS管做负载的基本差分对放大器 差分放大器的应用－Gilbert单元
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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差分放大器简介
AIC中非常重要的电路模块 对两个信号的差值进行放大
(V X V )Y Vin 2引起的 = g m RDVin 2
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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小信号差分特性－用叠加法求全差分时的 差模增益
(VX V ) = Y Vin1引起的 gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2
(VX V ) = Y Vin1和Vin2共同引起的 gmRD (Vin1 Vin2 )
Rout
=
g
1 m+ g
mb
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上一章
共栅级
Rin小，Rout大
Av = gm(1+ )RD
Rin = 1/[gm (1+ )]
Rin =
RD + rO
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一、设计要求
低频增益: > 80 dB；
单位增益带宽: > 50 MHz；
负载电容: =5pF（可调整）；
相位裕量: >60°；
增益裕量: >12dB。
二、电路结构的选择
1.共源共栅结构：
运算放大器的的结构主要有三种:
(1)简单两级运放；
(2)折叠共源共栅；
(3)共源共栅。
共源共栅放大器的特点：
(1)结合了CS、CG放大器的优点，Av较大且频带宽；
(2)输出电压摆幅因层叠的MOS管而有所损失，在低电源电压运用中
是致命的；
（3）在低电源电压电路中共源共栅结构因为要消耗过多的电压余度运用较少，此时需要多级CS放大器才能达到需要的增益，这会给放大器
的补偿带来更大困难。
折叠式共源共栅放大器的特点：
(1)与套筒式结构相比，输出电压摆幅较大些；
(2)折叠式共源共栅放大器的功耗较大、电压增益较低、极点频率较
低、噪声较高；
(3)可使输入共模电平接近电源供给的一端电压。
2.反相放大器：
COMS反相器通常由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。
通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。
COMS反相器具有如下特点：
(1)静态功耗极低。
在稳定时，COMS反相器工作时，总有一个MOS管
处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。
(2)抗干扰能力强。
由于其阈值电压近似为0.5VDD，输入信号变化时，
过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电
源电压升高，抗干扰能力增强。
(3)电源利用率高。
VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，
所以允许VDD有较宽的变化范围。
(4)输入阻抗高，带负载能力强。
本设计采用共源共栅结构和反相放大器级联的方式来达到设计要求。
首先采用共源共栅结构作为差分当大器的第一级，承担主要的放大能力以及尽可能宽的单位增益带宽。
反相器作为第二级主要作为阻抗匹配，提高输出的带载能力，同时具有放大功能。
同时在第二级输入和输出之间
加入串联RC负反馈网络，作为频率补偿，提高系统的稳定性，防止放大
器自激。
整个差分放大器的电路图如下图1所示：
图1. 系统整体电路图
三、电路仿真
1.恒流源偏置电压的仿真：
该电路采用NMOS来模拟恒流源，电流设定为107uA左右，通过仿。
设置电压V2从0-3V变化，采用DCsweep仿真，真确定Q3的电压V
G
仿真设置及结果如下图所示：
图2. 仿真设置
图3. 仿真结果
可以看出，当电流为107uA时，对应的栅极电压大概为1.2V。
2.共源共栅结构静态工作点的仿真：
通过直流仿真，确定合适的输入共模电压，使得共源共栅结构工作在合适的放大区。
图4.静态工作点仿真电路图
图5. 仿真参数设置
图6. 仿真结果
从仿真结果可以看出，共源共栅放大器的共模输入电压为937.529mV，则合适的偏置电压就在该值附近。
3.共源共栅结构差分增益仿真：
输入端采用差模输入，设置差模输入信号为20mV，选择ACsweep，频率变化范围10HZ-10GHZ，作出仿真结果的幅频特性曲线，结果如下图所示：
图7. 交流小信号仿真电路图
图8. 交流小信号仿真设置
图9. 共源共栅结构幅频特性4.反相器电路结构的仿真：
图10. 反相器直流仿真
图10. 反相器输入输出特性曲线
图11. 反相器交流增益仿真电路图
图12. 反相器交流增益幅频特性曲线
5.整体电路仿真：
输入端输入大小为20mV的差模信号，输出端接5PF的电容负载，设置交流ACsweep仿真，频率范围10HZ-1000MEG，作出对应的幅频特性曲线和相频特性曲线，仿真设置和仿真结果如下图所示：
图12. 系统整体电路图
图13. 交流仿真设置
图14. 交流仿真结果（幅频、相频特性曲线）
四、数据处理与结果分析
通过对整个差分放大器的仿真，得到如下数据：
低频增益： 98.038dB；
单位增益带宽： 54.386MHZ；
相位裕量： 68.785°；
增益裕量： 21.333dB。
从数据仿真结果可以看出，该差分放大器的相关指标达到了设计要求。
在本次设计中，为了达到设计要求，在增益、带宽、摆幅等方面做出了很
多让步和折衷，这就是实际电路设计中会遇到的问题。
在实际中，这些参
数中的大多数都会相互牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。
在
实际应用中要熟练运用“模拟电路设计八边形法则”、靠直觉和经验得到
一个较佳的折衷方案是每个电路设计者需要练就的能力。
这就是我通过本
次课程设计所收获的心得。