五管放大器设计报告

简单差分放大器设计报告

摘要 (22)

一、设计要求 (22)

二、设计原理 (44)

2.1 MOS管工艺参数 (44)

2.2 相关计算公式 (44)

2.2.1 电流D I (5)

2.2.2 跨导m g (5)

2.2.3 电阻0r (5)

2.2.4 电导及增益 (66)

2.3 确定MOS管尺寸 (66)

三、电路仿真 (88)

3.1 差分放大器仿真电路图 (88)

3.2 差分放大电路静态仿真 (99)

3.3 差分放大电路动态仿真 (1111)

3.4 MOS管不同宽度对比 (1313)

四、版图设计 (1414)

4.1 版图设计优化 (1414)

4.2 版图绘制 (1717)

4.3 版图DRC检测 (1919)

4.4 版图LVS检测 (2020)

4.5 版图PEX仿真 (2222)

五、总结 (2323)

简单差分放大器设计报告

摘要

作为普通单端输入放大器推广的差分放大器用于处理两个输入信号的差值，而及输入信号的绝对值无关，其把两个输入信号的差值以一个固定的增益进行放大，通常作为功率放大器和发射极耦合逻辑电路的输入级使用。两个参数完全相同的晶体管以直接耦合的方式构成放大器，若两个输入端输入大小相位完全相同的信号电压，则放大器的输出为零，可以通过这一特点来抑制零点漂移，使放大器用作于直流放大器。在集成电路中，差分放大器可用于去除两个信号源中不需要的共模信号，仅放大差分信号，可有效抑制随时间变化的电源电压波动、衬底电压波动、温度变化产生的共模噪声。在差分放大电路中，电流镜可以精确的复制电流而不被工艺和温度影响，因而差分对的尾电流源用NMOS来镜像，负载电流源用PMOS来镜像，且电流镜中采用相同参数的MOS管来减小边缘扩散。MOS管的沟道长度对阈值电压影响较大，因此，电流的比值可通过宽度来调整，从而使整个放大电路达到最佳性能。一、设计要求

设计一个简单差分放大器（五管放大器），需知五管放大器结构简单，但增益小，通常增益在50dB以下，其基本电路图如下：

图1-1差分放大器电路图其仿真系统中电路图可设计如下：

图1-2电路原理图

电路性能参数要求如下：

二、设计原理

2.1 MOS管工艺参数

基于0.35umMOS工艺，查看model文件可知设计差分放大器电路所需MOS管主要参数：

NMOS管参数

PMOS管参数

2.2 相关计算公式

2.2.1 电流D I

（1）已知电流公式：

其中ox C 为单位面积栅氧化层电容，dsat V 为过驱动电压。且已知：

F t C ox

ox 3-9

-11-sio

10629.41046.710453.32

⨯≈⨯⨯==

ε

dsat GS th

V V V =-

其中2

sio ε二氧化硅介电系数约为3.453cm F /1013

-⨯。

（2）以输出摆率求总电流

因输出摆率，且设计要求输出摆率SR 为200V/us ，负载电容L C 为5pF 则：

由此计算得出总电流D I 为A m 1。

2.2.2 跨导m g

(1)跨导m g 公式如下：

(2)以带宽求跨导

因带宽，且设计要求单位增益带宽为100MHz 则：

ms

fC C L

L u m 14.31051010014.322g 12

6=⨯⨯⨯⨯⨯==⨯=-πω

由此计算得出输入管跨导3.14ms 。

2.2.3 电阻0r

电阻0r 可通过如下公式计算：

2.2.4 电导及增益

因放大倍数V A 满足

()3

121//g ds ds m

ds ds m V g g g r r A +=

=

其中电压放大倍数及增益()dB 之间换算公式为：

()V i o V A V V g G lg 20l 20=⎪⎪⎭⎫

⎝⎛=

由前面设计要求可知V G 为45()dB ，则

us A g V

m ds ds 7.17101014.3g g 2045

3

4

1=⨯==+-

由此计算得出电导41g ds ds g +为17.7us 。 2.3 确定MOS 管尺寸

因本设计基于0.35umMOS 工艺，则MOS 管沟道最小长度可至0.35um 。考虑到短沟效应和器件匹配性等实际情况，模拟电路一般不使用最小尺寸，这里综合衡量各方面因素，本设计中的差分放大器MOS 管沟道长度设为2um 较为理想。

为了使差分放大器的输入电压具有的较大范围，需要限制其尾管M3（NMOS 管）的过驱动电压，可设其不超过350mV 。

已知总电流

则推导得

V

W

L

C I V ox

D dsat m 350u 2≤=

即

m C u L I W ox N D N 636

-3-10026.1521225.010629.40464.010********

.02--⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

⨯≥

其中，由于电路中尾管为NMOS 管，则迁移率u 取463.674Vs cm /2

，则最终计算结

果如上，电路中NMOS 管的沟道宽度大于152um 。

不得不顾虑输出电压的范围，负载管M4、M5（PMOS 管）的过驱动电压同样不应该太大，可设其不超过600mV ，且单个负载管电流为尾管电流即总电流D I 的一半，即0.5mA ，则：

V

W

L C I V ox P dsat

m 600u 2≤=

m C u L I W ox P p P 636

-3-10185.7036.010629.40171.0102105.0236

.02--⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

⨯≥

其中，由于电路中负载管为PMOS 管，则迁移率u 取170.9075Vs cm /2

，则最终计

算结果如上，电路中NMOS 管的沟道宽度大于70um 。

输入管M1、M2（NMOS 管）沟道宽度主要考虑跨导，则由以下公式推导计算可得：

m

10812.91105.010629.40464.021*******.926-3-3-6

-6-2

⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

≥

N

ox N m I C u L

g W