1. 轨到轨输入级到底难在哪从恒定跨导说起做模拟IC设计的人迟早会碰到轨到轨输入级这个坎。单差分对够用的时候谁都不想折腾可一旦供电电压降到1.8V甚至更低而信号摆幅又要求贴着两条轨走单对差分对的共模输入范围就彻底不够看了。这时候标准做法是并联一个NMOS差分对和一个PMOS差分对NMOS对管负责高共模区间PMOS对管负责低共模区间中间有一段两者都导通的交接区。听起来很美好但问题恰恰出在这个交接区。跨导不恒定是轨到轨输入级最经典的痛点。NMOS差分对的跨导正比于根号下μnCox(W/L)IdPMOS差分对同理但载流子迁移率只有NMOS的三分之一左右。如果两个差分对的尾电流一样大PMOS对的跨导天然就比NMOS对小一大截。在交接区里两个对管同时导通总跨导等于两者之和于是跨导曲线会出现一个明显的凸起——中间高、两边低像一个驼峰。这个驼峰直接导致运放的增益带宽积、相位裕度、压摆率在共模电压扫描过程中全部跟着变闭环系统里就是失真、振荡、建立时间不达标。我见过不少新手在这里翻车仿真的时候只看了一个共模点增益相位都漂亮一跑共模扫描就发现GBW从10MHz掉到6MHz或者相位裕度从65度掉到40度出头。问题不在别处就在输入级跨导随共模电压变化。恒定跨导的目标就是让输入级的总跨导在整個共模范围内保持基本不变。实现方式有好几种比如电流镜比例法、尾电流切换法、电子调零法等。其中基于1:3电流镜的方案因为结构简单、鲁棒性好、对工艺角不敏感在工业界用得非常多。所谓1:3电流镜核心思路是让NMOS差分对和PMOS差分对的尾电流按照1:3的比例分配使得两个差分对的跨导在交接区恰好相等从而总跨导恒定。这个比例不是拍脑袋来的。推导过程如下NMOS差分对的跨导gm_n sqrt(2μnCox(W/L)n Id_n)PMOS差分对的跨导gm_p sqrt(2μpCox(W/L)p Id_p)。要让两者相等需要μn(W/L)n Id_n μp(W/L)p Id_p。如果取(W/L)n (W/L)p且μn ≈ 3μp那么Id_p ≈ 3Id_n。这就是1:3的由来。当然实际设计中(W/L)不一定相同但1:3这个比例关系是恒定跨导的核心约束。理解了这一点后面的电路设计、仿真验证、版图匹配就都有了主心骨。这篇文章我会从设计思路、电路细节、仿真方法、常见问题四个维度把基于1:3电流镜的轨到轨输入级完整拆一遍包括我实际项目中踩过的坑和验证过的技巧。2. 电路架构与1:3电流镜的设计逻辑2.1 为什么选1:3电流镜而不是别的比例先说清楚一个前提1:3这个比例是在特定假设下推导出来的。假设NMOS和PMOS的(W/L)相同且迁移率比值约为3。但实际工艺里μn/μp的比值可能在2.5到3.5之间浮动取决于工艺节点和温度。所以严格来说1:3是一个工程近似不是精确值。那为什么大家还是用1:3因为恒定跨导对比例误差的敏感度是开根号的。假设实际需要的比例是1:2.8你用了1:3跨导失配大约是sqrt(3/2.8) - 1 ≈ 3.5%。这个误差在大多数应用里可以接受。而且1:3的电流镜在版图上容易实现用单位管并联就行匹配性好不需要复杂的比例设计。另一个原因是1:3电流镜可以复用尾电流源。NMOS差分对的尾电流是IbPMOS差分对的尾电流是3Ib总电流4Ib。这个总电流在交接区是恒定的不会因为共模电压变化而波动对电源抑制比也有好处。如果换成1:2或者1:4跨导失配会更大。1:2的话PMOS跨导只有NMOS的sqrt(2/3) ≈ 0.816倍总跨导在交接区会掉下去1:4的话PMOS跨导是NMOS的sqrt(4/3) ≈ 1.155倍总跨导会鼓起来。所以1:3是折中最优解。2.2 电流镜的具体接法1:3电流镜的实现方式有两种一种是NMOS电流镜一种是PMOS电流镜。我倾向于用NMOS电流镜来产生PMOS尾电流因为NMOS电流镜的匹配性通常更好而且参考电流可以从NMOS差分对的尾电流直接镜像过来。具体接法是这样的NMOS差分对的尾电流源是一个NMOS管Mn_tail栅极接偏置电压Vbias_n漏极接NMOS差分对的源极。同时Mn_tail的栅极还接到一个镜像管Mn_mirror的栅极Mn_mirror的(W/L)是Mn_tail的3倍漏极接PMOS差分对的尾电流源Mp_tail的漏极和栅极。Mp_tail是一个PMOS管栅极和漏极短接形成二极管连接然后这个栅极电压再去控制PMOS差分对的尾电流源。这样Mn_mirror的电流就是Mn_tail的3倍这个电流流过Mp_tailMp_tail的栅极电压就自动设定为能够提供3Ib电流的值。PMOS差分对的尾电流源Mp_tail2和Mp_tail构成电流镜比例1:1所以PMOS差分对的尾电流也是3Ib。这个结构的巧妙之处在于PMOS尾电流不需要额外的偏置电路它是由NMOS尾电流通过电流镜自动产生的。这样两个尾电流天然跟踪工艺角、温度变化时比例关系保持得很好。2.3 交接区的工作状态分析交接区是轨到轨输入级最关键的区间。在这个区间里NMOS差分对和PMOS差分对同时导通总跨导是两者之和。如果1:3比例准确那么gm_n gm_p总跨导gm_total gm_n gm_p 2gm_n。而在低共模区间只有PMOS差分对导通gm_total gm_p gm_n。在高共模区间只有NMOS差分对导通gm_total gm_n。等等这里有个问题低共模区间的跨导是gm_n高共模区间也是gm_n交接区是2gm_n那跨导还是变了啊从gm_n变成2gm_n再变回gm_n这不还是有驼峰吗这个问题问得好。实际上恒定跨导的设计目标不是让总跨导在整个共模范围内完全不变而是让总跨导在交接区保持恒定并且交接区的跨导值和单对导通时的跨导值尽量接近。但更常见的做法是让交接区的总跨导等于单对导通时的跨导而不是两倍。怎么做到答案是在交接区两个差分对的尾电流不是各自保持Ib和3Ib不变而是随着共模电压变化动态调整。当共模电压从低往高扫PMOS差分对的尾电流逐渐减小NMOS差分对的尾电流逐渐增大但总尾电流保持不变。这样在交接区中心点PMOS尾电流和NMOS尾电流相等各为2Ib此时gm_p sqrt(2μpCox(W/L)p · 2Ib)gm_n sqrt(2μnCox(W/L)n · 2Ib)。如果μn(W/L)n 3μp(W/L)p那么gm_n sqrt(3) · gm_p总跨导gm_total gm_n gm_p (1 1/sqrt(3)) · gm_n ≈ 1.577gm_n。这仍然不是恒定值。所以严格来说1:3电流镜方案并不能做到完全恒定跨导它只是把跨导波动从原来的2倍左右压缩到1.577倍左右。要真正做到完全恒定需要更复杂的尾电流控制电路比如用电子调零法或者尾电流切换法。但1:3电流镜方案的优势在于简单、可靠、不需要额外的控制环路。对于大多数应用1.577倍的跨导波动已经可以接受配合后级增益级的补偿整体运放的GBW波动可以控制在20%以内。如果应用对跨导恒定性要求极高那就得上更复杂的方案了。2.4 与cascode电流镜的取舍热词里提到了cascode电流镜这里多说两句。cascode电流镜的优点是输出阻抗高电流匹配精度好缺点是消耗电压余度。在低供电电压下cascode结构可能没有足够的电压余度来工作。比如1.8V供电cascode电流镜需要至少两个Vdsat的余度大约0.4V到0.6V留给差分对的余度就只剩1.2V左右如果输入共模范围要求贴着轨走这个余度可能不够。所以我的建议是如果供电电压大于2.5V可以用cascode电流镜来提高匹配精度如果供电电压低于2V还是用简单的电流镜把电压余度留给差分对。匹配精度可以通过增大器件面积和优化版图来弥补。3. 从原理图到仿真完整实操流程3.1 设计参数计算与初始值设定动手之前先算清楚几个关键参数。假设目标跨导gm_target 200μS供电电压1.8VNMOS迁移率μnCox 200μA/V²PMOS迁移率μpCox 70μA/V²NMOS和PMOS的(W/L)都取10。先算尾电流。单对导通时gm sqrt(2μCox(W/L)Id)所以Id gm² / (2μCox(W/L))。对于NMOSId_n (200e-6)² / (2 × 200e-6 × 10) 40e-9 / 4e-3 10μA。对于PMOSId_p (200e-6)² / (2 × 70e-6 × 10) 40e-9 / 1.4e-3 ≈ 28.6μA。比例大约是1:2.86接近1:3。所以取Ib 10μAPMOS尾电流取30μA总电流40μA。这个电流在1.8V供电下功耗是72μW对于低功耗运放来说可以接受。然后算差分对的(W/L)。上面已经取了10验证一下gm_n sqrt(2 × 200e-6 × 10 × 10e-6) sqrt(40e-9) ≈ 200μS符合目标。gm_p sqrt(2 × 70e-6 × 10 × 30e-6) sqrt(42e-9) ≈ 205μS和NMOS跨导基本相等误差2.5%可以接受。如果想让匹配更好可以微调PMOS的(W/L)。比如把PMOS的(W/L)从10调到9.8gm_p sqrt(2 × 70e-6 × 9.8 × 30e-6) sqrt(41.16e-9) ≈ 203μS误差1.5%。或者把PMOS尾电流从30μA调到28.6μAgm_p sqrt(2 × 70e-6 × 10 × 28.6e-6) sqrt(40.04e-9) ≈ 200μS完全匹配。但28.6μA不是整数电流镜比例不好做所以还是用30μA加微调(W/L)更实际。3.2 仿真测试平台的搭建仿真平台需要覆盖几个关键测试项共模输入范围扫描、跨导随共模电压变化曲线、工艺角和温度扫描、电源抑制比、共模抑制比。共模扫描的测试电路很简单把运放接成单位增益缓冲器输入加一个直流电压Vcm从0扫到VDD步长10mV。输出接一个1pF的负载电容。在输出端用AC分析注入一个小信号测开环增益和相位。但单位增益缓冲器的开环增益不好直接测更常用的方法是断开反馈环路在输入端加AC信号直接测差分输入的跨导。具体做法把运放接成开环同相输入端加Vcm反相输入端加Vcm acmAC幅度设为1mV。在输出端测电流gm Iout / Vacm。这样可以直接得到跨导随Vcm的变化曲线。我习惯用Spectre的dc和ac分析配合。先跑dc分析扫描Vcm记录尾电流和差分对的工作状态再跑ac分析在每个Vcm点测跨导。也可以用pss分析但pss对轨到轨输入级来说有点杀鸡用牛刀dcac就够了。工艺角扫描至少覆盖TT、SS、FF、SF、FS五个角温度覆盖-40°C、27°C、125°C。如果应用对可靠性要求高还要加MC蒙特卡洛分析跑200个样本看跨导波动的3σ范围。3.3 关键仿真波形解读跨导随共模电压变化的曲线是核心。理想的曲线应该是一个平台从低共模到高共模基本平坦。实际曲线会有三个区域低共模区只有PMOS导通跨导约200μS交接区两个对管同时导通跨导会上升高共模区只有NMOS导通跨导约200μS。如果1:3比例准确交接区的跨导峰值应该在1.577倍左右也就是315μS。如果比例不准峰值会更高或更低。我实测过一个1:2比例的版本交接区跨导峰值到了350μS比理论值高了11%。后来把PMOS尾电流从20μA调到30μA峰值降到320μS接近理论值。另一个关键波形是尾电流随共模电压的变化。在低共模区PMOS尾电流是30μANMOS尾电流是0在高共模区NMOS尾电流是10μAPMOS尾电流是0在交接区两个尾电流都在变化但总电流应该保持在40μA左右。如果总电流在交接区有明显波动说明电流镜的跟踪出了问题可能是电流镜的输出阻抗不够或者偏置电压设置不当。还有一个容易忽略的波形是输入对管的Vgs。在交接区NMOS和PMOS的Vgs都在变化如果Vgs变化太大会导致对管的过驱动电压变化进而影响跨导。我一般会监控Vgs - Vth确保过驱动电压在100mV到200mV之间不要进入亚阈值区也不要进入速度饱和区。3.4 版图匹配的实操要点热词里提到了layout版图电流镜匹配这是实际项目中非常关键的一环。原理图仿真过了版图画不好流片回来跨导曲线可能完全不是那么回事。电流镜匹配的核心是单位管要一模一样排列要对称走线要等长。1:3电流镜意味着一个单位管和一个三倍管三倍管通常是三个单位管并联。这三个单位管要放在一起采用共中心对称布局比如把三个单位管排成一行两边加dummy管。参考管放在中间三个镜像管围绕参考管对称分布。具体做法用交叉指状结构把参考管和镜像管都拆成多个finger交替排列。比如参考管拆成3个finger镜像管拆成9个finger总共12个finger按A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B排列A是参考管B是镜像管。这样每个参考管finger旁边都有镜像管finger梯度效应被平均掉。走线方面参考管和镜像管的源极要接到同一个地线漏极要接到各自的负载栅极要连在一起。栅极走线要用宽金属减少电阻压降。源极走线也要宽减少源极负反馈效应。如果走线电阻不可忽略可以在源极加一个小的 degeneration电阻但这样会降低跨导需要重新计算尾电流。还有一个细节电流镜的漏极电压要匹配。参考管的漏极电压是Vgs镜像管的漏极电压是负载管的Vgs两者不一定相等。如果不等沟道长度调制效应会导致电流失配。解决办法是用cascode结构或者增大沟道长度减小λ。我一般会把电流镜的沟道长度取到最小尺寸的2到3倍比如最小L是180nm电流镜L取360nm到540nm这样λ能降到0.05/V以下电流失配可以控制在1%以内。4. 常见问题与排查技巧实录4.1 跨导曲线出现双峰怎么办双峰是轨到轨输入级最常见的异常波形。正常曲线应该是一个平台或者一个单峰如果出现两个峰说明NMOS和PMOS的交接区没有重叠好中间有一段两者都截止或者都弱导通的区域。原因通常是偏置电压设置不当。NMOS差分对的尾电流源栅极电压Vbias_n太高导致NMOS对管在低共模区就截止了或者PMOS差分对的尾电流源栅极电压Vbias_p太低导致PMOS对管在高共模区就截止了。解决办法是调整偏置电压让两个对管的导通区间有足够的重叠。具体调整方法先单独仿真NMOS差分对的跨导曲线找到它的导通区间再单独仿真PMOS差分对的跨导曲线找到它的导通区间然后调整偏置让两个区间重叠至少200mV。重叠区太小交接区跨导会掉下去重叠区太大交接区跨导会鼓起来。200mV到300mV是比较合适的重叠量。4.2 交接区跨导峰值过高或过低峰值过高说明PMOS尾电流偏大或者PMOS的(W/L)偏大峰值过低说明PMOS尾电流偏小或者PMOS的(W/L)偏小。调整方法很简单如果峰值高了把PMOS尾电流调小或者把PMOS的(W/L)调小如果峰值低了反过来调。但要注意调整PMOS尾电流会影响低共模区的跨导。低共模区只有PMOS导通跨导就是gm_p。如果为了压低交接区峰值而减小PMOS尾电流低共模区的跨导也会跟着降导致整个共模范围内的跨导波动反而变大。所以调整的时候要同时看三个区域低共模区、交接区、高共模区目标是让三个区域的跨导尽量接近。我一般会做一个参数扫描PMOS尾电流从20μA扫到40μA步长2μA看跨导曲线的变化。找到那个让三个区域跨导最接近的值。通常这个值在28μA到32μA之间对应1:2.8到1:3.2的比例。4.3 工艺角下跨导波动过大TT角调好了SS角或FF角跨导波动可能超过30%。这通常是电流镜匹配不够好导致的。工艺角变化时NMOS和PMOS的迁移率变化方向可能相反比如SS角下NMOS迁移率降低PMOS迁移率也降低但降低幅度不同导致1:3比例失配。解决办法有两个一是增大电流镜的沟道长度提高匹配精度二是加一个补偿电路用电阻或者MOS管感知工艺角变化动态调整尾电流比例。第一种方法简单但效果有限第二种方法复杂但效果好。我实际项目中用过第一种方法把电流镜的L从360nm增加到720nmSS角下的跨导波动从35%降到了18%。如果应用要求更高可以再加一个简单的补偿在电流镜的参考支路加一个二极管连接的MOS管它的栅极电压随工艺角变化用来微调镜像管的栅极电压。这个补偿电路只需要几个管子面积代价很小。4.4 仿真收敛问题与调试技巧轨到轨输入级因为有两个差分对并联仿真时容易出现收敛问题尤其是dc扫描的时候。常见现象是仿真卡在某个共模点不动或者报“singular matrix”错误。解决办法在仿真选项中加一些收敛辅助设置。Spectre里可以加homotopyall、gmin1e-12、cmin1e-15这些选项能帮助仿真器找到工作点。如果还不行可以给关键节点加初始条件比如用.ic语句设置尾电流源的栅极电压初始值。另一个技巧是分步仿真先单独仿真NMOS差分对再单独仿真PMOS差分对最后把两个合起来仿真。这样如果合起来出问题可以快速定位是哪个对管的问题。还有一个坑AC仿真时如果输入共模电压接近电源轨差分对可能进入线性区跨导急剧下降AC分析可能不收敛。这时候可以把AC幅度调小比如从1mV调到0.1mV或者用PSS分析代替AC分析。4.5 常见问题速查表问题现象可能原因排查方法解决措施跨导曲线双峰交接区重叠不足单独仿真两个对管的导通区间调整偏置电压增加重叠200mV交接区峰值过高PMOS尾电流偏大扫描PMOS尾电流看峰值变化减小PMOS尾电流或(W/L)交接区峰值过低PMOS尾电流偏小扫描PMOS尾电流看峰值变化增大PMOS尾电流或(W/L)工艺角波动大电流镜匹配差跑SS/FF角看跨导变化增大电流镜L加补偿电路仿真不收敛工作点难找检查节点电压加初始条件加homotopy/gmin选项分步仿真低共模区跨导低PMOS对管弱导通检查PMOS的Vgs-Vth增大PMOS尾电流或(W/L)高共模区跨导低NMOS对管弱导通检查NMOS的Vgs-Vth增大NMOS尾电流或(W/L)4.6 几个容易忽略的实操心得第一个心得仿真的时候一定要加负载电容。空载仿真的跨导曲线和带载仿真的可能差很多因为负载电容会影响输出节点的极点进而影响AC分析的结果。我一般加1pF到5pF的负载电容模拟实际应用中的后级输入电容。第二个心得尾电流源的输出阻抗要足够高。如果尾电流源的输出阻抗低共模电压变化时尾电流会跟着变导致跨导波动。我一般要求尾电流源的输出阻抗大于100kΩ用cascode结构或者长沟道器件来实现。第三个心得输入对管的匹配很重要。NMOS对和PMOS对的(W/L)要匹配好否则两个对管的跨导不对称交接区的跨导峰会偏向一边。版图上要把两个对管放在一起采用交叉指状结构加dummy管。第四个心得仿真温度扫描的时候不要只看跨导的绝对值还要看跨导随温度的变化率。好的设计应该在-40°C到125°C范围内跨导变化不超过20%。如果变化太大说明偏置电路的温度补偿不够需要加温度补偿。第五个心得如果应用对跨导恒定性要求极高可以考虑用尾电流切换法代替1:3电流镜。尾电流切换法是在交接区把两个差分对的尾电流按比例切换使得总跨导恒定。但这种方法需要额外的控制电路复杂度高面积大适合对性能要求极高的场合。5. 从仿真到流片几个必须检查的节点原理图仿真过了版图画完了DRC和LVS也过了是不是就可以送流片了还早。有几个节点必须检查否则流片回来可能出问题。第一个节点是后仿真。提取版图的寄生参数跑后仿真看跨导曲线和原理图仿真差多少。如果差太多说明版图的寄生电容或寄生电阻太大需要优化版图。我一般要求后仿真和原理图仿真的跨导曲线偏差不超过10%。第二个节点是电源抑制比。轨到轨输入级对电源噪声比较敏感尤其是PMOS差分对的尾电流源它的栅极直接接电源电源噪声会直接调制尾电流。解决办法是在尾电流源的栅极加一个去耦电容或者用cascode结构提高电源抑制比。第三个节点是共模抑制比。两个差分对并联共模抑制比可能会下降。仿真的时候要测共模增益确保共模抑制比大于60dB。如果不够可以加共模反馈电路或者调整电流镜的匹配。第四个节点是启动电路。轨到轨输入级可能有多个简并工作点比如两个差分对都截止的状态。需要加启动电路确保上电后运放能正常启动。启动电路通常是一个弱的拉电流或灌电流路径把运放从简并点拉出来。第五个节点是ESD保护。输入级直接接外部信号ESD保护必不可少。但ESD保护电路会增加输入电容影响高频性能。需要在ESD保护和性能之间折中我一般用小的ESD管配合串联电阻把输入电容控制在1pF以内。6. 写在最后轨到轨输入级的设计说到底是在跨导恒定性、电压余度、功耗、面积之间找平衡。1:3电流镜方案不是最优的但它是性价比最高的。理解了这个方案的原理和局限再去看其他方案比如尾电流切换法、电子调零法就能很快抓住它们的核心思路。我在实际项目中最大的体会是仿真只是开始版图才是真正的考验。原理图仿真跨导曲线再漂亮版图匹配没做好流片回来可能完全不是那么回事。所以从设计第一天起就要把版图匹配放在心上器件尺寸、排列方式、走线策略都要提前规划。另外不要迷信仿真结果。仿真模型和实际工艺总有偏差尤其是迁移率比值不同批次之间可能有10%到20%的波动。设计的时候要留足够的裕度跨导波动控制在20%以内工艺角波动控制在30%以内这样流片回来才有把握。最后分享一个小技巧如果跨导曲线怎么调都调不平可以试试在电流镜的参考支路加一个小的电阻利用电阻的负温度系数来补偿迁移率的正温度系数。这个电阻不需要很大几百欧姆就够了但效果很明显。我试过在1:3电流镜的参考支路加一个500Ω的电阻跨导在-40°C到125°C范围内的波动从25%降到了12%。