电流镜负载的差分放大器设计

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1、《IC课程设计》报告——模拟部分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，工作在包河区的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收工艺和温度的影响。在典型的电流镜中

2、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。目录1设计目标12相关背景知识23设计过程63.1电路结构设计63.2主要电路参数的手工推导63.3参数验证（手工推导）74电路仿真94.1用于仿真的电路图9NMOS：9PMOS9整体电路图104.2仿真网表（注意加上

3、注释）104.3仿真波形135讨论176收获和建议17参考文献191设计目标设计一个电流镜负载的差分放大器，参考电路图如下：性能指标如下：工艺ICC网站的0.35umCMOS工艺电源电压5V增益带宽积25MHz低频开环增益100负载电容2pF输入共模范围3V功耗、面积尽量小2相关背景知识据题目所述，电流镜负载的差分放大器的制作为0.35umCMOS工艺，要求在5v的电源电压下，负载电容为2pF时，增益带宽积大于25MHz，低频开环增益大于100，同时功耗和面积越小表示性能越优。我们首先根据0.35u

4、mCMOS工艺大致确定单个CMOS的性能，即在一定值的W/L下确定MOS管在小信号模型中的等效输出电阻和栅跨导，然后记下得到的参数并将其带入到整体电路中计算，推导电流镜负载的差分放大器电路中的器件参数，例如，小信号模型的增益、带宽、功耗等，再分析是否满足题目中的各项指标的要求。若不满足，则依据摘要理所说的，调节晶体管的宽度，然后用调整后的参数进行仿真、验证，直到符合要求为止。相关背景知识：1.差分式放大器差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT、FET）所组成的差分式放大电路，并在两

5、器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid为Vi1和Vi2的差成为共模电压；另外，若输入电压Vic为VI1和Vi2的算术平方根，则称为共模电压。当输入电压是共模形式时，，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同，故双端输出时输出电压为零；当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，一管电流将增加，另一管电流则减小

6、，所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下：1.差模输入电压：2.共模输入电压：3.差模输出电压：4.共模输出电压：5.双端输入——单端输出的差模电压增益：6.双端输入——单端输出的等效栅跨导：1.双端输入——单端输出的等效输出电阻：2.带宽公式：3.增益带宽积：4.NMOS管电流公式：5.参数6.当MOS处于饱和区域时有如下：P管和N管中需从lib库文件中读取2.电流镜负载差分放大电路分析

7、与设计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。如上图所示。NMOS器件M1和M2作为差分对管，P沟道器件M4，M5组成电流源负载。电流0I提供差分放大器的工作电流。如果M4和M5相匹配，那么M1电流的大小就决定了M4电流的大小。这个电流将镜像到M5。如果GS1GS2V=V，则Ml和M2的电流相同。这样由M5通过M2的电流将等于是OUTI为零时M2所需要的电流。如果GS1GS2V>V，由于0D1D2I=I+I，D1I相对D2I要增加。D1I的增加意味着D4I和D5I也增大。但是，当GS1V

8、变的比GS2V大时，D2I应小。因此要使电路平衡，OUTI必须为正。输出电流OUTI等于差分对管的差值，其最大值为0I。这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。反之如果GS1GS2V