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1、IC课程设计报告电流镜负载的差分放大器设计华中科技大学控制科学与工程系自动化0807班张有超U200813586同组人：黄腾、黄开拓、胡婵目录一、设计目标（题目）2二、系统功能定义3三、相关背景3四、设计过程61、NMOS的特性仿真及参数推导 62、PMOS的特性仿真及参数推导 83、电流镜负载的放大器特性仿真及参数推导10五、个人心得14六、参考文献16七、附录16分工 16一、 设计目标（题目）电流镜负载的差分放大器指导老师：陈晓飞（87611245转8509，xfchen）助教：李小晶Tel: 15871462261， Email: lxjhustor设计一款差分放大器，要求满足性能指标
2、：l 负载电容ll 对管的m取4的倍数l 低频开环增益100l GBW(增益带宽积)25MHzl 输入共模范围3Vl 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、 系统功能定义
3、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。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0 I 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GS1 GS 2 V =V ，则Ml和M2 的电流相同。这样由M5 通过M2 的电流将等于是OUT I 为零时M2 所需要的电流。如果GS1 GS 2 V V ，由于0 D1 D2 I = I + I ， D1 I 相对D2 I 要增加。D1 I 的增加意味着D4 I 和D5 I 也增大。但是，当GS1 V 变的比GS
4、2 V 大时， D2 I 应减小。因此要使电路平衡， OUT I 必须为正。输出电流OUT I 等于差分对管的差值，其最大值为0 I 。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GS1 GS 2 V V ， OUT I 将变成负。三、 相关背景 NMOS管剖面图NMOS管I-V特性曲线Mosfet作为信号放大时，其输入的信号一般为交流信号，即随时间而变化的电信号，这是器件的特性将因信号变化的大小及快慢而不同，有低频、高频之分。单个mosfet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、
5、NMOS的栅跨导：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：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。相关公式：电流公式： ,MOS管等效电阻公式：=1/ gds =1/（mos管要工作于饱和区）gds= 直流工作点在计算增益要求的性能指标时要用到如下增益、带宽公式：小信号增益：单位增益带宽：电流镜负载的差分放大器电路四、 设计过程1、NMOS的特性仿真及参数推导单个Nmos管的仿真，NMOS以共源连接方式连接，如图 。其中电流I=40uA，管子宽长比W=100u，L=1u，VDD=5v仿真网表：nmos.options list
6、node post.op.LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TTMp d d 0 0 N_33 L=1u W=100u ID VDD d 40uVDD VDD 0 5v.END得到静态仿真结果：* mosfets subckt element 0:mp model 0:n_33 region Saturati id 40.0000u ibs -6.249e-21 ibd -4.1440f vgs 680.3816m vds 680.3816m vbs 0. vth 661.6627m vdsat 82.1938m vod 18.7
7、189m beta 18.2183m gam eff 703.3934m gm 705.7681u gds 2.5548u gmb 263.3084u cdtot 136.7248f cgtot 326.1779f cstot 456.1968f cbtot 433.1469f cgs 232.5666f cgd 14.9154f从以上网表结果知，在15uA的偏置电流下，NMOS跨导gm=705.7681uS,小信号模型下的输出电阻ro=rds=1/gds=1/2.5548u=391.42K推导NMOS器件参数如下：公式gds= ，得到n =0.06387（1+n*Vds）2、PMOS的特性仿
8、真及参数推导单个PMOS管的仿真，将PMOS以共源连接方式连接，如图 。其中电流I=40uA，管子宽长比W=2u，L=1u。VDD=5v仿真图形：仿真网表：pmos.options list node post.op .LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TTMp D D VDD VDD P_33 L=1u W=2uID D 0 40uVDD VDD 0 5V.END仿真静态结果：* mosfets subckt element 0:mp model 0:p_33 region Saturati id -40.0000u ibs 1
9、.794e-19 ibd 10.6777f vgs -1.7641 vds -1.7641 vbs 0. vth -862.2167m vdsat -785.3466m vod -901.8566m beta 105.9427u gam eff 350.4868m gm 75.7664u gds 2.4711u gmb 14.3361u cdtot 3.0888f cgtot 9.1884f cstot 12.6728f cbtot 10.1213f cgs 7.5859f cgd 254.0724a类似NMOS的推导：Ro=Rds=1/gds=1/2.4711u=404.678Kp=gds/
10、id=2.4711/40=0.0617775(1+p*Vds)Kp=40u/(1.7614-0.8622167)2/1.0617775=46.1 uA/V23、电流镜负载的放大器特性仿真及参数推导在如上尺寸下仿真放大器的直流工作点，小信号增益，带宽，输入共模范围：完整放大器的波形：静态工作点的计算：选取静态工作点为 差分对管的静态偏置电压：1.12VId0=2Id1=2Id2=80uAVout的偏置电压：Vout(偏置)5*（537/(537+404)）=2.82小信号增益电压：Av=gm(ro2|ro4)=706u*(391k|404k)=140.28带宽：GB=gm/2cf=706u/2*
11、PI*2p=56.2MHZ按题目要求的增益和带宽都达到了要求：HSPICE整电路输入网表：EX 4.2 common source amp AC analysis.LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT.PARAM Mn=100u.PARAM zhi=1.12v /直流偏置电压M1 1 1 0 0 n_33 L=1u W=2u M2 2 1 0 0 n_33 L=1u W=2u M3 3 6 2 0 n_33 L=1u W=Mn /放大管的尺寸M4 5 7 2 0 n_33 L=1u W=Mn M5 4 3 3 4 p_33 L=
12、1u W=2u M6 4 3 5 4 p_33 L=1u W=2u Iref 4 1 80ua /输入的偏置电流Cl 5 0 2p /负载电容Vn 6 2 dc zhi AC .5v 180 /输入端偏置电压和交流电Vp 7 2 dc zhi AC .5v Vdd 4 0 dc 5 /电源电压5V.ac dec 40 100 1000MEG /交流仿真.op /仿真静态特性.print VDB(5) V(5) /打印电路图.end输出最大值的对数频率特性曲线：从图中可以看出，系统低频开环放大倍数为174倍：AV=174大于题目要求的100倍：从图中可以看出：下降3DB后的带宽，即：增益带宽积为
13、：0.309MHZ*174=53.766MHZ单位增益带宽=50.7MHZ五、个人心得伴随着IC课程设计的结束，这个学期的任务终于完成了。回想起这个课程设计，我感慨颇多。虽然一路磕磕绊绊，但是我们最终还是顺利的完成了这个任务，各项指标也达到了题目要求，同时也学到了不少新的知识，感觉很值得。IC课程设计算是我们做过的所有课程设计里面疑惑最大的。以前的课程设计，都是在学过一个软件或者一种新的编程语言之后，按照所学知识来完成。但是IC课程设计，对我来说，所有的基础就是学过的模拟电子技术和数字电子技术的课程了，Verilog语言不是很熟练，Hspice更是第一次听到。所以，我感觉自己要完成这个IC课程
14、设计，必然要从零基础开始奋斗了。不过，让人欣慰的是，这个课程设计是三四个人一组的，所以我们可以根据每个人的特长分工完成，这样可以减少每个人的工作量，不过对几个人的合作能力是一个很大的考验。另外，这个课程设计16周布置的，而当时我们基本上每门课都进入了结课阶段，各种实验、考试扑面而来，这时候再加个课程设计，大家都难免会发些牢骚，但是，最终大家都还是在感慨一下大三就是忙啊之后埋头开始了课程设计。拿到题目之后，我们组并没有立即开始，也没有立刻进行讨论，而是自己先下去消化题目。这是一个很关键的步骤，要想顺利的完成IC课程设计，首先就必须要把题目看懂，知道我们要做一个什么样的东西出来，电流镜负载的差分放
15、大器，然后就回去复习丢掉了大半年的模电知识，在源极耦合差分放大电路中找到了类似例子。总算搞明白了我们要做什么。除了课本上找到的相关知识，我们各自也找了一些资料。网上找到了很多不同学校的关于电流镜负载差分放大器的相关内容，又从图书馆抱回了一大堆CMOS的书籍，但是感觉最有用的还是其他组的助教发的一份CMOS模拟集成电路设计与仿真。总之，在动手之前，我们做了大量的准备工作，所谓兵马未动粮草先行。在搞清楚了理论知识之后，我们就着手于软件的研究：Hspice和Viewlogic。Viewlogic比较简单，在以前的电子线路测试试验中用过类似的图形编辑软件，如Pspice等，所以学习起来相对比较容易，但
16、是貌似Viewlogic和win7不兼容，我们几个搞模电题目的同学遇到的问题都是装不了Viewlogic，不能正常运行，在找其他班的同学交流之后确定是和win7不兼容，于是找同学用XP系统装了一个，画图都在这个机子上搞定了。我们根据实验内容中需要的P型管、N型管和最终的整体电路，调整各个元器件的参数达到标准后便可以自动生成网表，与其他工具集成在一起，便可以简化模拟和调试。生成网表以后，要用Hspice对各个器件的性能指标进行仿真，Hspice的激励需要自己在文档中手写，网表则需要从电路图中导出来，可能还需要对导出来的网表进行修改。尤其是仿真这一段，需要不停的修改参数，慢慢的调整需要的指标（即放
17、大倍数和带宽）达到 要求。虽然很麻烦，但是只要我们对理论知识很清楚，并且能熟练的掌握Hspice的操作方法，实现起来也不是很困难。其实在这个过程中，我们遇到了很多问题，不管是理论推导还是软件操作，答疑都起了很大的作用，助教对我们的帮助很大，而和其他组的同学或者其他班级同一个题目同学的讨论，更是让我们如虎添翼，比如仿真NMOS和PMOS单管特性的时候，不管怎样设置WL比，总是达不到要求，最后在同学的提醒下将电流增大才满足要求，而电流是我们容易忽略的问题，自己检查过程中很难发现这一点，而在和同学的讨论中可以更快的发现问题。最终，通过自己的努力和助教、同学的帮助，我们还是痛苦但顺利的完成了任务。课程
18、设计过程中海遇到了其他各种形形色色的问题，包括很难的以自己实力确实解决不了的问题，也有很弱智的比如软件设置等问题，就不一一列举了。关于课程设计内容就不多说了，上面设计过程一步一步已经讲的很清楚了。下面来讲讲这一路走来，除了知识水平方面我其他的一些收获。首先，要做好充分的准备。不仅仅是IC课程设计，都要做好充足的准备，尤其是理论知识是掌握，一定要对以前所学的知识有一个系统的了解，看到一个新问题要知道如何转化为学过的知识。其次，团队工作要注意分工。当然，分工不是说只做这一部分，而且，如果对其他部分不了解，做自己的部分时候也会很困难。我们每个队员都要对这个课程设计有一个宏观的了解和把握，知道自己负责
19、的部分所处的阶段，对其他队员负责的部分要有一定的了解，然后对自己负责的部分一定要精益求精，花大工夫，保质保量，而且不能拖沓，这样，团队工作才能一步一步顺利的开展下去。再次，要注重和其他人的交流。三人行必有我师，不同的人对同一件事物的看法是不一样的，也许自己的看法就是片面的，所以，我们在工作过程中，要注重和其他组或者其他班级同学的交流，尽量能做到资源共享，这样，我们能更容易的发现自己的错误和不足，尽快改正，也能用自己的经验教训提醒别人注意。第四，要保持平和的心态。这是一个团队工作，一定要注意团结，保持平和的心态。不要看到别人做完了心里流开始慌，一定要淡定，尤其是最后仿真调试阶段，不要浮躁，要根据
20、参数要求有理有据慢慢调，只要自己方法对，心态平和，就一定能调出来，完成任务。IC课程设计是我们必经的一个阶段，作为一个工科学生，我们一定要多重视这样的课程设计。只有多通过一些实验和课程设计的训练，才能对所学知识有更扎实的掌握，才可以真正的做到学有所用，学会所用，将理论和实践相结合，真正的学到一些东西。经过了这个IC课程设计，我学到了很多，自身的能力也提高了很多。最后，感谢老师、助教和同学们的帮助，以及同组三位同学的精诚合作，让我顺利的完成这个IC课程设计。六、参考文献1.微电子器件与IC设计2.模拟集成电路设计与仿真3.CMOS模拟集成电路设计(第2版)(国外电子与通信教材系列)4.VLSI设计方法与项目实施 北京：科学出版社，2007年8月七、附录分工：我们组四个人，一共分为两组，每组两人。第一组：黄开拓、胡婵。主要负责相关资料的收集和手工推导计算。第二组：张有超、黄腾。主要负责Viewlogic和Hspice等软件的操作和调试仿真。每个人工作量大概25%左右。
