镜像电流源作偏置的差分放大器仿真报告
模电设计-电流镜负载的差分放大器
模拟集成电路课程设计报告电流镜负载的差分放大器摘要:差分放大器是最重要的电路发明之一，它可以追溯到真空管时代。
有于差动放大具有很多有用的特性，像对差模输入信号的放大作用和对共模输入信号的抑制作用，所以它已经成为当代高性能模拟电路和混合信号电路的主要选择。
电流源在差分放大器中广泛应用，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，稳定的基准电流则由一个相对复杂的电路来产生。
在电流镜中，只需调整MOS管的W/L就能获得不同的、精确的复制电流。
在本课程设计中，将根据典型电流镜负载差动对中，增益、带宽与MOS管W/L之间的关系，获得满足要求的放大器。
一.设计目标 ................................................................................................................................ - 1 - 二．单个MOS管的的特性 ...................................................................................................... - 2 -2.1 、NMOS特性仿真...................................................................................................... - 2 -2.2 、PMOS特性仿真 ...................................................................................................... - 4 - 三．电路设计与参数推导.......................................................................................................... - 6 -3.1电路设计：.................................................................................................................... - 6 -3.2手工推导参数................................................................................................................ - 7 - 四．差分放大器仿真 ................................................................................................................. - 9 -4.1、HSPICE仿真：......................................................................................................... - 9 -4.2、器件参数修改........................................................................................................... - 10 -4.3 仿真波形..................................................................................................................... - 12 -4.2、共模电平的范围：................................................................................................... - 13 -4.3 数据对比..................................................................................................................... - 16 -五.总结 ...................................................................................................................................... - 17 -一.设计目标设计一款差分放大器，要求满足性能指标：● 负载电容pF C L 1=● V VDD 5=● 对管的m 取4的倍数● 低频开环增益>100● GBW(增益带宽积)>30MHz● 输入共模范围>3V● 功耗、面积尽量小参考电路图：二．单个MOS管的的特性MOS管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)你场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。
高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现要点
武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：指导教师：专业班级：工作单位：电信1101班信息工程学院题目:高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容、二极管若干，直流电源Vcc= +12V，V EE= -12V，或自选元器件。
可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。
要求完成的主要任务:（1）设计任务根据要求，完成对高输入阻抗放大电路的设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。
（2）设计要求①电压增益>=100，输入信号频率<100HZ,共模抑制比≥60dB；②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计；③利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能；④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书；⑤选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。
时间安排：1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。
2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.电路方案选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42.高输入阻抗放大电路设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.1差分放大电路∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.1.1零点漂移∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.1.2差模信号与共模信号∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.1.3.共模抑制比∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙62.1.4差分放大电路的分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6 2.2镜像恒流源∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72.2.1镜像电流源电路特点∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8 2.2.2镜像电流源电路分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙82.3同向比例放大电路∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙82.4电压串联负反馈∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.5电路原理设计图∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10 3．直流稳压电源的设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙103.1理论分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙103.2原理图∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙113.3直流稳压电源仿真结果∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙114高输入阻抗放大电路仿真∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12 5实物安装和调试∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙175.1布局焊接∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙175.2调试方法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17 5.3测试结果分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙175.4实物展示∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18 5.PCB制作∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙19 7．个人总结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙23参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙24摘要本课程设计是基于模拟电子技术基础课程的高输入阻抗放大器的设计，需要运用书中所学的模电知识。
电流镜负载的差分放大器设计
《IC课程设计》报告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 (1)2相关背景知识 (2)3设计过程 (6)3.1 电路结构设计 (6)3.2 主要电路参数的手工推导 (6)3.3 参数验证（手工推导） (7)4 电路仿真 (9)4.1 用于仿真的电路图 (9)NMOS： (9)PMOS (9)整体电路图 (10)4.2 仿真网表（注意加上注释） (10)4.3 仿真波形 (13)5 讨论 (17)6 收获和建议 (17)参考文献 (19)1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：工艺ICC网站的0.35um CMOS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0.35um CMOS 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0.35um CMOS 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。
电流源电路和差动(又称差分)放大电路
第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路内容提要：本章首先讨论常用在集成运放中的几种电流源的形式及其主要应用，然后讨论差动放大电路的工作原理及计算。
本章重点：1．镜像电流源、比例电流源、微电流源、I o 和I R 的计算。
2．典型差动放大电路的工作原理及计算。
学习要求：1．掌握电流源电路结构及基本特性，主要包括基本镜像电流源、比例电流源、微电流源，会分析其镜像关系及其输出电阻。
2．掌握差模信号、共模信号的定义与特点。
3．掌握长尾型和恒流源共模负反馈两种射极耦合，差动放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉电路的4种连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。
4. 要求会熟练分析差动放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比。
会画出微变等效电路，会计算A Vd 、R id、R od 、K CMR 。
5．会运用晶体管工作在有源区时的大信号特性方程i c =I s exp(V be /V t )分析研究差动放大器的差模传输特性。
了解基本的差动放大器线性放大的输入动态范围和扩大线性输入动态范围的办法。
6．定性了解差动放大器的各种非理想特性，如输入失调特性、共模输入电压范围等。
3.1 电流源电路3.1.1 三极管电流源电流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，如 图3.1.1所示。
对电流源的主要要求是：（1）能输出符合要求的直流电流I o 。
（2）交流电阻尽可能大。
图3.1.1 三极管电流源电路第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路·129·三极管射极偏置电路由V CC 、R b1、R b2和R e 组成，当V CC 、R b1、R b2、R e 确定之后，基极电位V B 固定（I b 一定），可以推知I c 基本恒定。
从三极管的输出特性曲线可以看出：三极管工作在放大区时，I c 具有近似恒流的性质。
当I b 一定时，三极管的直流电阻CQ CEQ CE I VR =，V CEQ 一般为几伏，所以R CE 不大。
实验4电流源和差分运放的HSPICE仿真
《电流源和差分运放的Hspice仿真》实验报告学生姓名：丁英光学号：111200508专业班级：微电子学1班指导教师：江浩二○一四年十一月十七日实验四电流源和差分运放的Hspice仿真一、实验目的1、复习各种结构电流源的电路结构、特点及工作原理。
2、复习差分运放电路结构及工作原理。
3、学会使用Hspice 调节并仿真电路，使电路达到相应要求。
二、实验内容1、图1为基本电流镜结构，请编写电路网表，模拟仿真当输出电压v(2)从0~5V 变化时，输出电流I o的变化情况。
（工作电压为5V ，M1，2：W/L=5μ/1μ）图1 基本电流镜结构 图2 威尔逊电流源.title dianliujing .options post=2.include '/home/jingjing/hspice/models/tsmc35.m'm2 1 1 0 0 tsmc35n w=5u l=1um1 2 1 0 0 tsmc35n w=5u l=1uv2 2 0 3ir vdd 1 100uvdd vdd 0 5v.dc v2 0 5 0.01.op.probe i1(m1).end2、图2为威尔逊电流源结构，请编写电路网表，模拟仿真当输出电压v(4)变化时，输出电的变化情况。
（工作电压为5V ，M1,2,3,4：W/L=5μ/1μ）流Io.title wilson current mirrors.options list post=2.include '/home/jingjing/hspice/models/tsmc35N.m'm1 2 1 0 0 tsmc35n w=5u l=1um2 1 1 0 0 tsmc35n w=5u l=1um3 4 3 1 0 tsmc35n w=5u l=1um4 3 3 2 0 tsmc35n w=5u l=1uv4 4 0 1idc vdd 3 1mvdd vdd 0 5v.dc v4 2 5 0.1 sweep idc 1m 2m 1m.print dc i(m3) i(m4).end3、图3为共源共栅电流源结构，请编写电路网表，模拟仿真当输出电压v(4)变化时，输出电流I o的变化情况。
电流镜负载的差分放大器设计
《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 (1)2相关背景知识 (2)3设计过程 (6)3.1 电路结构设计 (6)3.2 主要电路参数的手工推导 (6)3.3 参数验证（手工推导） (7)4 电路仿真 (9)4.1 用于仿真的电路图 (9)NMOS： (9)PMOS (9)整体电路图 (10)4.2 仿真网表（注意加上注释） (10)4.3 仿真波形 (13)5 讨论 (17)6 收获和建议 (17)参考文献 (19)1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：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0.35um CMOS 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0.35um CMOS 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。
函数信号发生器实验报告
北京邮电大学电子电路实验报告实验一：函数信号发生器的设计与调测院系：信息与通信工程学院班级：2012211112姓名：卢跃凯班内序号：13学号：2012210344指导教师：廖老师课题名称：函数信号发生器的设计与调试摘要实验电路主要由两部分组成，方波—三角波发生电路和三角波—正弦波变换电路。
方波由运算放大器加稳压管产生，后经积分电路形成三角波，最后通过差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性实现三角波——正弦波的转换。
实验电路的频率，幅度可通过电位器调节，增加两个二极管，可以改变方波占空比，完成提高要求。
关键词方波三角波正弦波幅频可调设计任务要求1、基本要求：a)设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。
1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；2）方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10us；三角波Uopp=8V；3）正弦波Uopp>1V。
b)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）2、提高要求：a)三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。
b)要求方波占空比在30%——70%连续可调。
设计思路，总体结构框图1、设计思路：用运算放大器加反馈构成电压比较器来产生方波；方波经积分电路形成三角波；三角波输入到差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性输出正弦波，完成要求。
2、原理框图：3、系统的组成框图：分块电路和总体电路的设计：（1）方波-三角波产生电路：方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，限制在±（UZ+UD）之间。
考虑到基本要求中的，方波的峰峰值为12V，故选用稳压值为6V的稳压管2DW232。
方波经积分得到三角波，幅度为，幅值由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定，因为基本要求中三角波的峰峰值为8V，因此，R1与Rf的比值为2：3。
在实际电路中，我采用的R1为20kΩ,Rf为30kΩ。
Lab 5 差分放大器电路仿真
Lab 5 差分放大器电路仿真1.实验目的熟悉ADE环境设置。
掌握层次化设计方法。
了解仿真结果分析方法。
2.实验原理关于仿真部分的实验原理，在lab4中已有详述。
层次化（Hierarchy）设计：在较为复杂的电路中，因为电路元件个数相对庞大，所有电路单元不可能都以元件的形式出现在电路里。
为了简化电路形式，可采用特定的电路符号，每个符号代表一个电路单元，甚至在电路符号中再镶嵌符号，由此形成多层电路结构。
层次化设计简化了电路结构，便于电路设计与仿真，lab4所设计的ampTest测试平台就包含有Lab3所设计的放大电路Amplifier。
在lab11以后的版图设计中，层次化设计成为必然。
层次化设计的特点：①大量元件可以用一个符号代表②符号可以代表元件、单元电路模块③同一符号可以出现在不同层次④设计中不再需要特定的结构形式⑤方便了不同层次间的设计层次化方法（也可使用盲键）①选择要进入下层（或返回上层）的符号②进入下层：选择Design→Hierarchy→Descend Edit [E]③返回上层：选择Design→Hierarchy→Return [^e]④返回顶层：选择Design→Hierarchy→Return To Top3.实验内容运行仿真设置Analyses①在CIW窗口中，打开ampTest的Schematic Editing窗口，选择Tool→AnalogEnvironment，弹出ADE窗口。
②在ADE窗口中，选择Analyses→Choose，打开Choosing Analyses窗口。
③设置Analyses栏目中的ac：a.在Analysis里，选择acb.设置Sweep V ariable为Frequencyc.设置Sweep Rangs为Start－Stop，Start赋值为100，Stop赋值为150Md.设置Sweep Type为Logarithmic，选择Points Per Decade为20e.选择Enabledf.点击Apply④设置Analyses栏目中的tran：a.在Analysis里，选择tranb.设置Stop Time为3uc.设置Accuracy Defaults (errpreset)为Moderated.选择Enablede.点击Apply⑤设置Analyses栏目中的dc：a.在Analysis里，选择dcb.在DC Analysis里，选择Save DC Operating Pointc.选择Enabledd.点击Applye.点击OK设置Design V ariables图5.1 Edit Design V ariables窗口①在Simulation窗口（也即ADE窗口）中，点击Edit Variables图标，弹出Edit Design V ariables窗口如图5.1所示。
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镜像电流源作偏置的差分放大器设计与仿真报告
一、仿真目的
1、熟悉差分放大器和镜像电流源的工作原理
2、学习镜像电流源作偏置的差分放大器的设计方法
3、熟悉Cadence的使用方法
二、电路原理
上图中，所有MOS管均采用0.35的工艺，由镜像电流源提供偏置，作为负载的镜像电流源由pMOS管组成，采用双端输入单端输出，输入信号幅度为正负0.5v。
作为偏置的镜像电流源两管子的尺寸均为W=5u，L=2u，差分放大器的两根管子和作为负载的电流源的两
根管子的尺寸均为：W=0.7u，L=0.5u。
电源电压为3v，差分放大器的直流偏置电压为2v。
三、仿真过程
1、直流仿真
首先，对电路进行直流仿真，看所有管子是否都处于饱和区，如果不在饱和区，则需要调整管子的尺寸和电路参数。
下图是镜像电流源左边管子的直流参数，其它管子参数的查看方法类似：
从结果可以看出，region为2，表示管子处在饱和区，由vgs>vth,vds>vgs-vth也可以看出管子处在饱和区。
其它管子通过通过同样的方法查看，都处在饱和区。
2、交流仿真
对电路进行交流仿真，其幅频特性曲线如下：
3、改变管子的宽长比，看其对电路的影响
其它参数不变，改变差分放大器的两个管子的宽长比，通过仿真看其对增益、带宽的影响,这里将管子的宽度设置为原来的10倍，即7u，首先进行直流仿真：
上图是放大器左边管子的直流参数，可以看出其处于饱和区。
其它管子仍可以通过相同的方法查看，通过仿真，发现都处于饱和区。
然后可以对其进行直流仿真，幅频特性曲线如下：
由仿真结果可看出，其增益变为大约28.4dB,3dB带宽大约为0.3GHz。
可见增加管子的宽长比可以增大放大器的增益，但是同时带宽会减小。
4、保证管子原来的参数不变，改变放大器直流偏置电压
将放大器的直流输入电压减小到1v，先进行直流仿真，看各个管子是否工作在饱和区，如下：
上图是放大器左边管子的直流参数，可见其工作在饱和区，通过同样的方法查看其它管子的直流参数，发现都工作在饱和区。
然后对电路进行交流仿真，其幅频特性曲线如下：
从上图仿真结果可以看出，其增益大约为20.4dB,3dB 带宽大约为100MHz ，其增益和带宽减小了。
四、仿真结果分析
1、通过增大差分放大器的管子的宽长比，通过仿真结果可以看出，电路增益增大，但是带宽减小了。
由差分放大器的增益公式可知：|Au|=D SS ox
n R I L
W C 可知，当宽长比增大时，
放大器的增益也会随之增大。
2、管子的宽长比不变，减小放大器的直流偏置电压，通过仿真结果可以看出，放大器的增益减小了。
由于直流偏置电压影响放大器的漏极电流，进而使得Iss 减小，由上公式可以看出，Iss 减小，放大器怎一随之减小。