gmid设计方法

基于Gm/id方法设计五管OTA

要求：

基于SMIC 0.18um工艺设计的五管OTA

拟定指标：CL=20pF，GBW=50MHz，VDD=3.3V

电路拓扑结构：

输入管采用PMOS，可以降低噪声。注意输入管的B端连接到S端。由于相同电流驱动能力下PMOS管的尺寸要更大，因此mul可以取大一些。

设计过程：

基于

可以计算得到

对于输入P管，取gm/id=14，得到id=0.269mA，Iss=2*id=0.538mA

       下面需分别测量PMOS和NMOS的本征增益 vs gmoverid和Id/W vs gmoverid

 

确保两个管子能工作在饱和区，对Vgs和L_sweep进行扫描

PMOS

NMOS

设置mul=8，取L=450nm（如果发现增益不够后面可以增大管子尺寸），得到id/w=4.02354A/m可计算出W=0.269*10^-3/4.02m=66.86um（此时selfgain=416，20lg（416）=52dB，增益肯定小于这个值，可以根据selfgain来选取更大的L）

对于N管，设置mul=4,可以取gm/id=10，得到id/W=21.9194A/m，计算得到W=0.269*10^-3/21.92m=12.27um

对于尾电流管，为了电流镜像的时候电流更准确，可以取较大的L值，选定L=2.05um，gm/id=10,同理可以计算得到得到W=289.27um

       可以先使用电流源给一个Iref进行初步的验证，后面再做偏置电路。

       验证无误后，确定Iref的产生，常用的方式有使用bandgap来产生一个Vref，Vref/R得到Iref，还有一种方法就是constant gm bias 方式（也是本设计中采用的）。

       近似有电阻R=1/gm=1/3.768=265Ω，通过设定R值,便能产生正确得Iref。电阻最后实际取值为333Ω，Iref与设计值相同。

仿真结果：

最后仿真结果得到的GBW=29.7M，与设计指标有一定偏差，实际电路设计中，考虑到寄生电容的存在，一般取CL的1.2倍来计算。

参考资源：

1【高清】[part 7]How to design bias for your amplifier in gm_id methodology_哔哩哔哩_bilibili

2用Cadence Virtuoso IC617结合gm/id方法设计有源负载差动对（五管OTA）运放_菜鸡渣渣一个的博客-优快云博客

3 用Cadence Virtuoso IC617和工艺参数设计有源负载差动对（五管OTA）运放_5管ota buffer_菜鸡渣渣一个的博客-优快云博客