跨导放大器
学院:电信学院
班级:微电子92
组长:曾云霖(09053057)
组员:黄雄(09053042)
蒋仪(09053043)
跨导放大器设计
设计题目:
基于所给的CMOS摄像机机芯工艺设计一款跨导放大器。跨导放大器的特点是具有非常大的输出阻抗,将输入电压转换成电流输出,相当于压控电流源。该电路的设计同样需要包括偏置电压电流 产生电路。
设计指标:
| 测试条件 | 参数指标 |
负载电容 | 30pF |
电源电压范围 | 2.5~5.5V |
静态电流 | VDD=3.6V,Temp=27℃ | <250μA |
输出摆幅 输入共模电压 | VDD =3.6V,Temp=27℃ VDD =3.6V,Temp=27℃ | 0.6~1.2V 0.1~1V |
开环增益(低频) | 磁流变阻尼器VDD =3.6V,Temp=27℃ | 1800~2200 |
单位增益带宽 | VDD =3.6V,Temp=27℃ | >3MHz |
相位裕度 | VDD =3.6V,Temp=27℃ | >60° |
PSRR(低频) | VDD =3.6V,Temp=27℃ | >65dB |
跨导(低频) | VDD =3.6V,Temp=27℃ | (900~1100)μA /V |
转换速率 | VDD =3.6V,Temp=27℃ | >3V/μs |
| | | |
设计要求:
1. 确定设计指标(以上指标供参考,可以进行适当修改,但需说明原因);
医院用筋膜仪2. 根据设计指标,可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计,也可以查 文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计 ;
3称量室. 阅读模型文件,了解可以选用的器件类型与尺寸范围;
4. 手工设计:根据拟定的设计指标,初步确定满足指标的各元件的模型与参数:
MOS:沟道长度与宽度,并联个数;
电阻:宽度、长度、串并联个数;
电容:宽度、长度、并联个数;
三极管:并联个数。
5. 采用全典型模型, 27℃,验证电路是否满足设计指标;
6. 设计偏置电路:
a) 选定电路结构;
b) 手工设计:确定各元件的模型与尺寸;
c) 采用全典型模型,仿真验证偏置电流源的性能;
7. 将偏置电路和主体电路合在一起仿真,采用全典型模型,27℃,VDD=3.6V,要求电路达到“设计指标”要求,否则应对电路结构和参数进行修改与优化,直至满足要求(可能需要多次调整),并应包括以下内容:
a) 一输入端固定为0.6V参考电压,另一输入端从0V上升到3.6V(电源电压)时的输出电压曲线与静态电流曲线,确定低频增益;以输出0.9V为输出参考电压,确定输入失调电压(直流扫描);
b) 一输入端固定为0.6V参考电压,另一输入端为信号输入,输出工作点为0.9V时的放大特性:增益、相位、带宽、相位裕量等(交流扫描,);
c) 输出工作点为0.9V时,PSRR对于频率(1Hz~100KHz)的特性曲线(交流扫描)
电路参考图:
usb 声卡设计过程:
原理图分析说明:
根据题目说明和参考电路可知,跨导放大器(OTA)是一种电压输入、电流输出的放大器、放大倍数为跨导Gm。我们小组经过讨论分析,最后决定采用如题目所示的参考电路。
在设计电路前,我们首先分析了OTA电路的组成和作用。
如参考电路所示:
OTA电路主要包括3个部分,
第一部分是带隙基准电流源,主要是给整个电路产生一个稳定的电流源;
第二部分是由电流镜组成的偏置电路,主要是给跨导放大器提供偏置电压;
第三部分是运算放大器,它是这个电路实现功能的核心部分,也是电路设计的主要部分。
分析完电路的各个组成部分和功能后,我们小组要做的便是设计各个MOS管的尺寸,使之达到设计指标要求。
运算放大器的设计
设计思路:
运算放大器是这次设计的电路的核心部分,参考电路如下所示:
图一.运算放大器
由图一可知,运算放大器分为两级放大,第一级是M1-M5构成的共源级放大电路,第二级是M6-M13构成的共源共栅放大电路。单端输入,单端输出。
偏置电路(电流镜部分)与M1相连,相当于给第一级放大电路提供了电流,所以M1即为一个电流源。M4、M6与M5、M7又是两组电流镜,所以,第一级电路又可以给第二级的放大电路提供一个电流,这样运算放大器就能正常工作。
有了这样的分析,运算放大器的设计过程也就可以确定了。
设计步骤:
第一步:分配电流
按照设计指标要求,整个电路的电流不能超过250uA,因为运方是主要的电流消耗部分,我们设计的是给3条支路各80uA的电流。
第二部:分配过驱动电压:
分配电流以后,为了满足输出摆幅在0.6~1.2V之间,就必须合理的分配各个管子的过驱动电压,使之既能保证MOS管正常工作,又能满足输出摆幅和增益的要求。我们小组的Vod分配如下:微型齿轮
M1:0.8V ;
M2、M3:0.25V;
M4、M5:0.3V;
M6、M8:0.3V;
M7、M9:0.2V;
M10、M11、M12、M13:0.4V。
第四步:计算宽长比()
饱和电流公式:
、均在前面两步已经分配,也是与0.5工艺MODEL相关的常数,所以可以求出各个MOS管的宽长比。
这里注意一下,讲义上给出的和与仿真是有差距的,要实现仿真与理论的相切合,这里必须采用仿真的参数,利用DC point查看NMOS和PMOS的。
在0.5u工艺下,这些参数的值如下:
根据上述公式和参数,我们可以求得各MOS管得尺寸:
第四步:
根据过驱动电压来给各个MOS管的栅极分配电压:
给的偏压如下:
M1栅极偏压:1.8V
M7、M9栅极偏压:1.6V
M10、M11栅极偏压:1.7V
M12、M13栅极偏压:1.8V。
增益公式如下:
至此,计算部分就已经完成了,接下来就是仿真和电路微调式了。
仿真调试:
图二.仿真电路图
1.增益带宽调试:
提高增益的方法:
增大L
减小电流
在CADANCE软件下仿真,搭建如图所示的电路图,并且给上前面计算的参数,设定仿真环境和仿真变量。仿真结果显示,虽然各个管子均进入了饱和区,增益也达到了要求的65db,但是带宽却这有1M左右,远远没有达到要求的3M。