北京邮电大学电子工程学院2013211207班何明枢 CMOS模拟集成电路与设计实验报告
实验二:差分放大器设计
一、实验目的
1、掌握差分放大器的设计方法；
2、掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。
二、实验要求
1、确定放大电路； 2、确定静态工作点Q； 3、确定电路其他参数；
4、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围；
5、电压放大倍数大于20dB，尽量增大GBW，设计差分放大器； 6、对所设计电路调试；
7、对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。
三、实验原理
平衡态下的小信号差动电压增益AV为：
β1= β2= β=μnCOX(W/L)
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四、实验结果
1、电路图
2、幅频特性曲线
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3、MOS管宽长比和电阻大小变化对应的放大倍数 放大倍数Av/dB 电阻 R/Ω MOS管沟道宽长比 10 15.6 19 21.4 15 16.4 19.8 22.2 20 16.8 20.2 22.6 30 17.3 20.8 23.1 40 17.7 21.1 23.4 60 18 21.4 23.8 20k 30k 40k 改变W/L和栅极电阻，可以看到，R一定时，随着W/L增加，增益增加，W/L一定时，随着R的增加，增益也增加。但从仿真特性曲线我们可以知道，这会限制带宽，所以在增大沟道宽长比的时候，要注意带宽是否满足条件。随着W/L增大时，带宽会下降。为保证带宽， 选取W/L=60，R=30k的情况下的数值，最终实现了带宽约为200MHz-300MHZ，可以符合系统的功能特性。
五、思考题
根据计算公式，为什么不能直接增大R实现放大倍数的增大？
答： 若直接增加Rd，则Vd会增加，增加过程中会限制最大电压摆幅； 如果VDD—Vd=Vin—VTH，那MOS管处于线性区的边缘，此时仅允许非常小的输出电压摆幅。即电路不工作。此外，RD增大还会导致输出结点的时间常数更大。
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实验三：电流源负载差分放大器设计
一、实验目的
1.掌握电流源负载差分放大器的设计方法； 2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。
二、实验内容
1.设计差分放大器，电压放大倍数大于30dB； 2.对所涉及的电路进行设计、调试；
3.对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。
三、差分放大器的设计方法
1、确定放大电路（选择场效应管）
2、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围。
3、确定静态工作点Q。 4、确定电路中的其他参数。
5、调整静态工作点：可以修改场效应管的W。
四、实验原理
电流镜负载的差分对
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。如上图所示。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0I 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。
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如果VGS1=VGS2，则Ml和M2的电流相同。这样由M5通过M2的电流将等于是IOUT为零时M2所需要的电流。如果VGS1>VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相对ID2要增加。ID1的增加意味着ID4和ID5也增大。但是，当VGS1变的比VGS2大时，ID2应小。因此要使电路平衡，IOUT必须为正。输出电流IOUT等于差分对管的差值，其最大值为I0。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VGS1 假设M1和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信号性能的相应关系如下： 式(7-1)中，VID表示差分输入电压。 上面假设了M1 和M2 相匹配。将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程，可得出解。 上图是归一化的M1 的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。 该放大器的小信号特性参数等效跨导 从图2可以看出，在平衡条件下，M2和M5的输出电阻分别为： 于是该放大器的电压增益为： 8
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