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） | 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，多功能按摩垫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）；
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． 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；
信息配线箱 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：
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：四轴机械臂
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：
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（带隙基准）
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：
动力电池模拟电源
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：
公交门提高增益的方法：
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。
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