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五管放大器设计报告

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2020年4月19日
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简单差分放大器设计报告

摘要 2
一、设计要求 2
二、设计原理 3
2.1 MOS管工艺参数 3
2.2 相关计算公式 4
2.2.1 电流 4
2.2.2 跨导 5
2.2.3 电阻 5
2.2.4 电导与增益 5
2.3 确定MOS管尺寸 6
三、电路仿真 7
3.1 差分放大器仿真电路图 8
3.2 差分放大电路静态仿真 8
3.3 差分放大电路动态仿真 11
3.4 MOS管不同宽度对比 12
四、版图设计 13
4.1 版图设计优化 13
4.2 版图绘制 16
4.3 版图DRC检测 17
4.4 版图LVS检测 18
4.5 版图PEX仿真 19
五、总结 21

简单差分放大器设计报告
摘要
作为普通单端输入放大器推广的差分放大器用于处理两个输入信号的差值，而与输入信号的绝对值无关，其把两个输入信号的差值以一个固定的增益进行放大，一般作为功率放大器和发射极耦合逻辑电路的输入级使用。两个参数完全相同的晶体管以直接耦合的方式构成放大器，若两个输入端输入大小相位完全相同的信号电压，则放大器的输出为零，能够经过这一特点来抑制零点漂移，使放大器用作于直流放大器。在集成电路中，差分放大器可用于去除两个信号源中不需要的共模信号，仅放大差分信号，可有效抑制随时间变化的电源电压波动、衬底电压波动、温度变化产生的共模噪声。在差分放大电路中，电流镜能够精确的复制电流而不被工艺和温度影响，因而差分正确尾电流源用NMOS来镜像，负载电流源用PMOS来镜像，且电流镜中采用相同参数的MOS管来减小边缘扩散。MOS管的沟道长度对阈值电压影响较大，因此，电流的比值可经过宽度来调整，从而使整个放大电路达到最佳性能。
一、设计要求
设计一个简单差分放大器（五管放大器），需知五管放大器结构简单，但增益小，一般增益在50dB以下，其基本电路图如下：

图1-1差分放大器电路图
其仿真系统中电路图可设计如下：

图1-2电路原理图
电路性能参数要求如下：
性能
参数
工艺
0.35umMOS工艺
电源电压
3.3V
增益
45dB
单位增益带宽
100MHz
输出摆率
200V/us
负载电容
5pF
功耗、面积尽量小

二、设计原理
2.1 MOS管工艺参数
基于0.35umMOS工艺，查看model文件可知设计差分放大器电路所需MOS管主要参数：
NMOS管参数
NMOS管
参数
迁移率
463.674
栅氧厚度
7.46
阈值电压
0.6027
PMOS管参数
PMOS管
参数
迁移率
170.9075
栅氧厚度
7.46
阈值电压
-0.8427
2.2 相关计算公式
2.2.1 电流
（1）已知电流公式：

其中为单位面积栅氧化层电容，为过驱动电压。且已知：

其中二氧化硅介电系数约为3.453。
（2）以输出摆率求总电流
因输出摆率，且设计要求输出摆率为200V/us，负载电容为5pF则：

由此计算得出总电流为。

2.2.2 跨导
(1)跨导公式如下：

(2)以带宽求跨导
因带宽，且设计要求单位增益带宽为100MHz则：

由此计算得出输入管跨导3.14。

2.2.3 电阻
电阻可经过如下公式计算：

2.2.4 电导与增益
因放大倍数满足

其中电压放大倍数与增益之间换算公式为：

由前面设计要求可知为45，则

由此计算得出电导为17.7。
2.3 确定MOS管尺寸
因本设计基于0.35umMOS工艺，则MOS管沟道最小长度可至0.35um。考虑到短沟效应和器件匹配性等实际情况，模拟电路一般不使用最小尺寸，这里综合衡量各方面因素，本设计中的差分放大器MOS管沟道长度设为2um较为理想。
为了使差分放大器的输入电压具有的较大范围，需要限制其尾管M3（NMOS管）的过驱动电压，可设其不超过350mV。
已知总电流

则推导得

即

其中，由于电路中尾管为NMOS管，则迁移率u取463.674，则最终计算结果如上，电路中NMOS管的沟道宽度大于152um。
不得不顾虑输出电压的范围，负载管M4、M5（PMOS管）的过驱动电压同样不应该太大，可设其不超过600mV，且单个负载管电流为尾管电流即总电流的一半，即0.5mA，则：

其中，由于电路中负载管为PMOS管，则迁移率u取170.9075，则最终计算结果如上，电路中NMOS管的沟道宽度大于70um。
输入管M1、M2（NMOS管）沟道宽度主要考虑跨导，则由以下公式推导计算可得：

其中，由于电路中输入管为NMOS管，则迁移率u取463.674，则最终计算结果如上，电路中NMOS管的沟道宽度大于91um。
综合各个方面考虑，本设计中以NMOS管M1、M2、M3三管宽W取160um，长L取2um，PMOS管M4、M5两管宽W取100um，长L取2um为设定的MOS管宽长比，进行后续工作。
三、电路仿真
3.1 差分放大器仿真电路图
从上一节中知道，设计中所用的MOS管能够设置以下参数：
M1、M2
输入管
NMOS
W:160um
L:2um
M3
尾管
NMOS
W:160um
L:2um
M4、M5
负载管
PMOS
W:100um
L:2um
实验过程用以下电路图对所设计的差分放大器进行仿真，分析其静态工作与动态输出性能。其中电源电压设置为3.3V，输入管M1、M2分别接1.65V直流电压源vdc，使电路能够正常工作，再给M1一个1V交流振幅，以便分析电路交流特性。负载管M4、M5以对称的形式存在，衬底接高电位即电源电压。为尾管M3设置镜像管M6，构成镜像电流源，并在其上加一个电流源idc，赋值1mA。最后在输出端接设计要求的5pF的负载电容，构成完整的仿真电路。

图3-1电路仿真图
3.2 差分放大电路静态仿真
图3-2中每个MOS管两侧均标有其静态仿真结果，包括电路中各节点的电压与MOS管的静态工作点。

图3-2电路器件静态工作参数
以输入管M1为例，列出其全部静态工作参数如下图3-3。则：

因此，NMOS管工作在饱和区。
其中为3.32378ms，与前面计算得出的跨导3.14ms相差不多，已基本达到设计要求，其计算后误差约为5.85%。

图3-3M1静态工作参数

图3-4M4静态工作参数
以负载管M4为例，列出其全部静态工作参数如上图3-4。

因此，PMOS管工作在饱和区。
其中为10.1022us，且图3-3中为7.82519us，则与前面计算得出的电导17.7us相近，已基本达到设计要求，其计算后误差约为5.85%。

3.3 差分放大电路动态仿真
下列图中数据是差分放大电路在交流电压下的仿真结果，图3-4中是输出端的振幅与相位随频率变化而变化的图像。下方曲线表示差分放大电路中相位随频率变化而变化，可是存在相位失真，这是由于放大器对输入信号的不同频率的分量滞后时间不相等造成的波形失真。

图3-5电路增益
我们主要应用图3-4中振幅随频率变化的曲线，其代表了差分放大电路的幅频特性，经过曲线的平缓处能够测试出电路的增益，如图3-5中所示，曲线的平缓处即最高处A点，其值为45.3157dB，这与设计要求45dB基本相符，其误差如下：

图3-6电路带宽
图3-6中，同样的，在幅频特性曲线上的B点处，即为所测试的单位增益带宽。在幅度为-3dB处，其对应的频率即是单位增益带宽，由图中可知其为118.796MHz，这与设计要求的100MHz很接近，其误差为：

因为单位增益带宽越大，电路适用于的输入信号频率范围越大，故而比设计带宽100Hz大的实验带宽是更优的。
3.4 MOS管不同宽度对比
为了观察MOS管不同宽度对差分放大电路的影响，设置如下表格进行不同参数电路工作性能的对比.其中MOS管长度始终保持2um。
组别
1
2
3
4
5
M4、M5(um)
100
80
80
100
80
M1、M2(um)
160
160
160
100
100
M3(um)
160
160
160
100
100
(ms)
3324
3.323
3.323
2.584
2.583
(us)
17.927
17.878
17.848
16.566
16.489
增益（dB）
45.331
45.3524
45.364
43.828
43.862
带宽（MHz）
119.806
120.433
122.064
97.797
100.017
如上面表格中所示，3组增益最大为45.364dB，带宽最宽为122.064MHz，4组增益最小为43.828dB，带宽最窄为97.797MHz。再者，3组跨导与电导最小，最接近理论计算值，则此比较中3组差分放大器电路性能更优。可是，因各个数据相差不是很大，对电路性能的优化不是很多，故而采用原定设计尺寸不变。
四、版图设计
MOS器件的特征尺寸越来越小，相应的集成电路中可用的电压和信号摆幅相对减小，对于最小线宽的MOS管，失配相对增加，则模拟电路的工作区间减小，适用范围缩小，数字电路的噪声门限相对下降，抗干扰能力下降。因此，电路中MOS管的匹配性尤为重要。
前面已经提到过，本设计中所有MOS管的宽与长如下表格：
M1、M2
输入管
NMOS
W:160um
L:2um
M3
尾管
NMOS
W:160um
L:2um
M4、M5
负载管
PMOS
W:100um
L:2um
这一表格中的宽长，也是上一节中对不同宽度的MOS管进行仿真对比之后的结果，是综合考虑各方面因素之后相对最优的选择。
4.1 版图设计优化

图4-1细长结构

图4-2叉指结构
图4-1中最初步的版图中MOS管宽长比较大，故而加以叉指结构如图4-2，避免细长结构，面积增大的同时使MOS管更易匹配。
如图4-3中所示，MOS管均采用叉指结构，同时M1与M2、M3与M4满足中心对称，且器件方向一致，具有一定的匹配度。另外，图4-3还考虑了MOS管之间金属走线的路程，M1、M2、M3、M4、M5都旋转了90度，以便M1与M2、M3与M4栅极相对，M1、M2漏极与M3、M4漏极靠近，使金属走线路程更短减小寄生效应。

图4-3中心对称匹配
M1、M2是差分放大器的输入管，中心对称满足不了输入管的匹配度，因而进一步选择图4-4中的四方交叉匹配，其匹配性更好。图4-3中依然存在着地线过窄的问题，总电流需要经过地线流过尾管M3，则地线过窄存在隐患，不尽合理，需要加宽金属线，如图4-5。再者，图4-3中M1与M2管输入与输出线的平行距离过长，会产生信号自反馈，影响放大器增益，这是我们不想看到的。

图4-4四方交叉匹配

图4-5版图最终版
图4-5是版图布局优化的最终版本，不但实现了输入管M1与M2的四方交叉匹配，而且将尾管M3拆分成两个相同的叉指结构的MOS管，实现M3的交叉匹配。重新布局后加宽了金属走线，满足漏极电流的需求，并经过MOS管摆放方向的选转，实现了输入管栅极连接和漏极连接的交叉匹配，保证了电流方向的一致性，更解决了图4-3中缺少阱接触和衬底接触的问题。图4-5中的阱接触与衬底接触降低了阱与衬底的电阻值，同时使阱接触尽量连接靠近VDD，衬底接触尽量连接靠近GND，相对增大NMOS管与PMOS管间距离，有利于减小闩锁效应对电路的影响。
4.2 版图绘制
如图4-6为candence系统下绘制的版图，其中NMOS与PMOS叉指结构器件源自器件库chrt035sg_rf,其它MOS管间连线，电位VDD、GND均利用版图绘制系统中的rectangle、polygon和path画出。特别地，保护环guardRing需要分出衬底接触PguardRing与WellguardRing阱接触。由于NMOS管宽长比，PMOS管的宽长比为，则其叉指结构参数如下表：
Name
Model Name
Total Width
Finger Width
Length
Number of Fingers
Multipliter
M1、M1b、M2、M2b、M3、M3b
nmos_3p3
80um
10um
2um
8
1
M4、M5
pmos_3p3
100um
12.5um
2um
8
1

绘制图4-6时，主要采用坐标的方式，使版图趋于绝对对称，更好地符合MOS管匹配特性。如图，初始时以管M1最左多晶栅的左下端为原点，则M1坐标为（0，3），M2（40,3）、M1b（63，-3）、M2b（23，-3）管以相对M1的距离计算坐标与M1成中心对称分布。其中八指且长为2um的MOS管左侧多晶左边界到右侧多晶右边界长为23。其余MOS管M3（0，-32），M3b(40,-32),M4（-5,30），M5（45,30）以其相对于原点的坐标合理分布，总体布局成左右两侧沿中轴线对称，经过调整，左右NMOS管之间距离设置为17，两侧分别距中轴线8.5，左右PMOS管之间距离为27，两侧距中轴线13.5，为阱接触留出适当的空间。本着尽量节省面积的原则，使MOS管合理的紧凑分布。

图4-6candence绘制版图
4.3 版图DRC检测
版图的DRC（design rule check）检测是依据系统工艺文件中设计规则的要求，检测所绘制的版图是否存在工艺上的不合理处，即是该工艺标准下技术无法达到。DRC最终检测结果如下图4-7、图4-8所示，遗留的4个问题为金属密度问题，这里主要进行实验设计，故而没有解决。在DRC检测过程中遇到的问题可主要归于以下几类：
1、 金属布线之间、金属布线与多晶之间距离小于工艺要求。
2、 通孔、金属孔四周甚至四角与临近金属、多晶之间过近。
3、 保护环guardRing没有闭合或完全相连使得相互之间不满足工艺最小距离。
对于出现的以上几类问题，经过调整金属走线位置和宽度，修改通孔、金属孔位置与个数，精确计算保护环坐标使之闭合，最终只遗留金属密度问题以待解决。

图4-7DRC检测结果

图4-8DRC检测结果
4.4 版图LVS检测
版图的LVS（Layout Versus Schematics）检测，是版图与原理图之间的检测，在LVS内置下分析所绘制的版图与相应名称原理图的不一致处。LVS最终检测结果如图4-7、图4-8所示，所有版图与原理图不一致的地方都得到了改正，系统出现了笑脸的形状以示正确。在LVS检测过程中主要出现了以下几类问题，其产生的原因随问题列出，并以相应的办法加以解决。
1、 节点不一致：M3与M3b之间金属1与金属2相连接处忘记打金属孔引起了此问题的产生，使用金属孔将两层金属连接，问题得以解决。
2、 器件连接不一致：版图中为了对称画出的双输出走线与原理图中右侧输出不相同，造成版图中的M4、M5与原理图中的M4、M5出现连接不一致，将版图中左侧输出删除后，调整金属走线，器件连接节点一致。
3、 器件失配：M4栅极右端金属1与金属2以金属孔连接，出现缝隙，致使版图出现断路，造成LVS检测时，与M4、M5漏极相连接的M1、M1b、M2、M2b、M3、M3b出现器件失配，版图中器件宽度与原理图中不同，将金属1走线延长后，问题得以改进。
4、 WellguardRing绘制过程中，没有注意到PMOS管N阱的范围，致使WellguardRingN阱与PMOS管N阱之间没有相连接，引起LVS大范围检测错误，经过在WellguardRingN阱与PMOS管N阱之间空余处填补N阱之后，问题得以解决。

图4-7LVS检测结果

图4-8LVS检测结果
4.5 版图PEX仿真
版图的PEX是提取寄生参数，生成calibre的过程，以便以calibre进行版图的后仿真。如图4-9为图4-6运行PEX之后生成的calibre，其主体部分排列位置与所绘制的版图位置基本一致，其下方是一系列由版图的金属布线、布局等原因产生的寄生电阻与寄生电容。寄生电阻在几十、几百毫量级，寄生电容在几飞量级，因此，寄生参量都很小，在信号电压不是很大的情况下，不会对差分放大器性能造成大的影响，下面以图4-10中的电路图，对此结论进行验证。

图4-9寄生参量calibre

五、 总结
经过本次设计，深入的学习了差分放大电路的电路仿真过程，知道了如何调节MOS管宽长比以达到放大器性能更优的方法。在版图的绘制与检测过程中，加深了理论知识与实际操作的联系，清楚了寄生参数对电路的实际影响很小，因而忽略不计。本次设计加深了对电路仿真的熟练程度，使版图的绘制操作得到了锻炼，进一步训练了candence软件各种功能的应用，包括DRC、LVS、PEX等仿真过程，甚至是反标电路器件工作参数，显示出动态仿真中输出的振幅和相位，以判断电路的增益与带宽。同时，实验过程中认识到了所学工艺知识的不足，许多问题需要请教老师和同学来解答，为日后完善各方面的知识理清了方向。