基于CMOS运算放大器的输入管尺寸仿真分析课程设计报告

2010-2011学年第二学期课程设计报告题目：有源电流镜差分放大器的设计学院：电子工程学院专业：集成电路设计与集成系统年级：2008级-1-课程设计报告一、课程设计题目：有源电流镜差分放大器的设计二、课程设计要求：设计一个有源电流镜作为负载，输入管为NMOS的差动输入到单端输出的放大器，要求尽可能满足下列要求(可以在各个参数之间进行取舍，优先满足重要的参数)：1）给出满足题目要求的电路图。2）根据设计目标，计算MOS管尺寸。3）利用Spice对电路进行仿真，仿真内容包括：直流输入范围、直流输出范围、交流小信号增益、功耗、单位增益带宽、输出摆幅。4）对结果进行分析5）比较各项指标，分析各项指标是否达到设计要求，完成下表：三、课程设计内容（一）分工情况（列表说明各组员姓名、学号、工作内容）工作：MOS尺寸计算电路仿真结果分析组员：李强20083444张海龙20083438王道鹏20083464组员：刘鑫20083459倪伟超20083454钟云龙20083439组员：张摄20083468高帆20083446组员：庄乾六20083443候震20083466-2-（二）单级有源电流镜差分放大器设计1.电路结构及原理图1单级有源电流镜差分放大器电路图图1所示电路为电流源负载的CMOS差分放大器，电路中M1、M2管作为差分输入端，M5、M6作为电流镜负载，M3管为整个电路提供尾电流；电路工作时要求M3、M4管尺寸匹配实现电流镜；M1、M2管尺寸匹配作为差分输入管；M5、M6管尺寸匹配实现电流镜；电路中两个输入端分别为：in_p和in_n，为保证电路工作在两输入端先分别加上相等的直流量保证静态工作点，在再直流量基础上加上一定的交流量，但两输入端的交流量要幅度相同，相位相反，以保-3-证放大器可以实现差动放大小信号。2.参数设定（可给出相关计算公式）1)为了满足转换速率SR=1V/us由SR=Iss/CL=I5≥1V/us得到I5≥5uA;由于功率需要尽量小，选择P≤1mW得到I5≤200uA。2)300MHZ的单位增益带宽意味着：f-3db=1/（2∏RC）≥300MHZ；推出Rout=2/(λn+λp)I5≤188；推出I5≥107μΑ因此选取I5=120μΑ；3)最大共模输入电压大于1.2V取VSG3=1.2V;推出IDS=1/2K`W/L(Vgs-Vtp)²W3/L3=W4/L4=2Id3/k´(Vsg3-VT)=4.84）由小信号增益得：AV=gm∕Rout=gm∕gds2+gds4=21.28(W1／L1)＞60;所以W1／L1＞7.9524=W2／L2.5)有最小输入共模范围得:VDS5=VIC.MIN－VS5VGS1=1.2=2.5－0.117－0.7=2.863VW5／L5=2I5／KNVDS5²=240/899.756=0.2663.仿真网表*一级有源电流镜差分放大器.lib'mix025_1.l'ttVddvdd02.5vIbiasvdd150um1outin_n20nchw=86ul=1um23in_p20nchw=86ul=1u-4-m32100nchw=50ul=1um41100nchw=50ul=1um533vddvddpchw=12ul=2um6out3vddvddpchw=12ul=2u.paramcom=1.25vww=56uVIN_PIN_P0comac1.25VIN_NIN_N0comac-1.25.ACDEC100110G.PRINTACVDB(OUT)*.DCcom02.50.01*.PRINTDCV(OUT)V(IN_P).end4.仿真结果图1）、一级电流源负载差分放大器仿真图：最大增益可以达到51.64dB，单位增益带宽是697MHZ，已经远远大于要求的300MHZ，只是摆幅范围却只有0.65V。-5-图2一级电流源负载差分放大器交流特性图3放大器输出摆幅曲线由图2、图3可以看出，一级电流源负载差分放大器的输出摆幅范围比较小。（三）两级有源电流镜差分放大器设计为了改善输出摆幅特性，我们又设计了两级有源电流镜差分放大器。第一级电路结构及参数同图1所示的放大器，我们根据输出摆幅特性设计了第二级的结构及参数，如图4所示。-6-图4两级有源电流镜差分放大器电路图1.两级有源电流镜差分放大器网表.lib'mix025_1.l'tt.paramCURR=30uCC=3pFcom=0vCcompvf1outCCCoutoutgnd35pFM1vm1in1vn1gndnchW=50uL=1uM2vf1in2vn1gndnchW=50uL=1uM3vm1vm1vddvddpchW=15uL=1uM4vf1vm1vddvddpchW=15uL=1uM5vn1vbiasgndgndnchW=4.5uL=1uM6outvf1vddvddpchW=94uL=1uM7outvbiasgndgndnchW=21uL=1u-7-M8vbiasvbiasgndgndnchW=4.5uL=1uibiasvddvbiasCURRVddvddgnd2.5Vdiffin2in1com*AC1VVcomin1gnd1.25V.dccom02.50.01.printdcv(out)v(in2)*.acdec2011G*.printacvdb(out)*'vp(out)+180'.end2.两级有源电流镜差分放大器仿真结果由图4的结构，我们仿真得到最大增益达到82.79dB，相位欲量能达到50，但单位增益带宽却只能达到5.88MHZ。图5输出摆幅特性-8-图6两级运放交流特性四、仿真结果讨论及总结由以上仿真及分析，我们得到单级及两级运放性能指标，总结如表1所示。表1单级及两级运放性能指标总结分析可以得到以下结论：1）通过单级差分放大器的仿真结果可以看出放大器的最大增益能够达到51.64dB，单位增益带宽是697MHZ已经远远大于要求的300MHZ；但摆幅却只有0.65V左右。工艺设计指标仿真值（单级/两级）是否达到指标输出摆幅＞1.6V0.8V(2.4v)达到增益AV＞50dB51.64dB(82.79dB)达到单位增益带宽＞300MHZ697MHZ(10MHZ)达到功耗越小越好1mW达到-9-2）两级放大中可以得到很高的增益值，最大增益达到82.79dB，输出摆幅也可以达到2.5V；只是单位增益带宽却只有10MHZ。综上：对于差分输入、电流镜作负载的单级或两级放大电路，对于重要参数：如增益、单位增益带宽、输出摆幅、相位欲量等，在对参数的调节过程中，各个重要参量都是相互影响的，很难使每个参数都达到理想的要求，所以设计电路时必须得有所取舍，折衷考虑，尽量提升重要的参数为佳。五、心得体会