当输入PMOS对管栅极电压低于1.5V时全差分放大器正负输出均跳变至0V

bellona

大家好，我设计的全差分放大器流片后测试发现，当输入PMOS管栅极电压低于1.5V左右时，放大器的正负输出会同时跳变为0V，而当栅极电压高于1.5V时可以正常工作，百思不得其解，请大家指教。放大器原理图如下：

放大器使用单端转双端电路测试，测试电路如下图所示：

红圈内为芯片内部的全差分放大器，CF1、CF2、RF1、RF2、SW1、SW2集成在芯片内部，本来打算作为跨阻放大器读出一个电容传感器的信号，在这个测试电路里这些元件对测试结果影响不大。
首先可以排除共模反馈电路的影响，因为输出共模电压设置为不同值时正负输出仍有可能同时跳变至0V。例如V1=1.5V，V2减小至1.4V左右时输出跳变至0V；当V1=1.9V，V2减小0.9V左右时输出跳变至0V，跳变发生以前输出信号的共模电压基本正确。
我做了不少试验最终总结出规律，即输入管栅极电压低于1.5V左右时输出就会跳变至0V，测量发现此时放大器的静态电流增加了300uA左右。
除增加了共模反馈电路以及将miller补偿电容位置由MN0、MN1漏极移至源极以外，该全差分放大器与芯片内部的单端放大器结构相同，且参数也基本相同，单端放大器工作均正常。

bellona

另附V1=V2=1.5V时仿真得到的放大器内部各管参数如下。由于放大器内部的R1、R2设小了点，导致MN3、MN15、MP3、MP4的过驱动电压较低，我做FIB后使用软针把VB3增加200mV、VB1减少200mV以后仍然存在上述现象：
subckt                            xi5.xmn7    xi5.xmn5    xi5.xmn10
element                          54:m0       55:m0       56:m0      
model                            54:nmos_3p3 55:nmos_3p3 56:nmos_3p3
region                            Saturati    Saturati    Saturati
  id                                401.9565u   399.1468u    42.2597u
  ibs                                 0.          0.        -11.2610a
  ibd                               -14.7313p   -42.5205p   -28.1225p
  vgs                               964.7946m   963.3703m   951.1123m
  vds                                 1.4663      1.5326      1.5322
  vbs                                 0.          0.       -548.8877m
  vth                               625.4655m   625.4655m   819.0732m
  vdsat                             276.2309m   275.2293m   143.9517m
  vod                               339.3291m   337.9048m   132.0392m
  beta                                8.4777m     8.4786m     4.0095m
  gam eff                           678.0000m   678.0000m   678.0000m
  gm                                  2.1435m     2.1366m   463.3134u
  gds                                 3.6453u     3.5503u     1.2565u
  gmb                               711.0916u   708.9481u   126.5631u
  cdtot                              69.5542f    68.5671f    14.2087f
  cgtot                             616.0526f   615.4216f    70.7657f
  cstot                             490.1482f   490.0745f    67.9997f
  cbtot                             341.1842f   340.7652f    52.6117f
  cgs                               550.6203f   550.4342f    60.9859f
  cgd                                19.1658f    18.6427f     4.1713f



subckt    xi5.xmn1    xi5.xmn0    xi5.xmn3    xi5.xmn15   xi5.xmn17
element  57:m0       58:m0       59:m0       60:m0       61:m0      
model    57:nmos_3p3 58:nmos_3p3 59:nmos_3p3 60:nmos_3p3 61:nmos_3p3
region      Saturati    Saturati      Linear      Linear    Saturati
  id         60.0377u    60.0377u   124.7360u   124.7361u    20.3794u
  ibs       -26.4056a   -26.4056a     0.          0.         -5.6305a
  ibd       -24.9617a   -24.9609a   -11.2936a   -11.2936a  -737.2407f
  vgs       825.9823m   825.9862m   956.5095m   956.5095m     1.1300
  vds       655.5973m   654.1768m   309.1935m   309.1974m     1.4713
  vbs      -309.1974m  -309.1935m     0.          0.       -649.4836m
  vth       747.8014m   747.8003m   625.4655m   625.4655m   815.0392m
  vdsat     106.6158m   106.6187m   270.4055m   270.4055m   281.4837m
  vod        78.1808m    78.1859m   331.0440m   331.0440m   314.9155m
  beta       11.7866m    11.7866m     2.8276m     2.8276m   455.7705u
  gam eff   678.0000m   678.0000m   678.0000m   678.0000m   678.0000m
  gm        836.7625u   836.7567u   670.0801u   670.0815u   117.3757u
  gds         2.9410u     2.9445u    19.8205u    19.8191u   131.2311n
  gmb       248.0874u   248.0861u   223.1575u   223.1579u    30.4891u
  cdtot      64.9471f    64.9643f    39.8381f    39.8378f    11.3330f
  cgtot     200.0838f   200.0908f   211.3310f   211.3309f   129.0100f
  cstot     180.1785f   180.1803f   174.1719f   174.1719f    95.5659f
  cbtot     166.5533f   166.5657f   134.1885f   134.1884f    58.2000f
  cgs       160.4497f   160.4523f   183.5252f   183.5252f   117.2564f
  cgd        18.0832f    18.0882f    13.2732f    13.2730f     2.3420f



subckt    xi5.xmn9    xi5.xmn19   xi5.xmn12   xi5.xmn16   xi5.xmn20
element  62:m0       63:m0       64:m0       65:m0       66:m0      
model    62:nmos_3p3 63:nmos_3p3 64:nmos_3p3 65:nmos_3p3 66:nmos_3p3
region      Saturati      Linear    Saturati    Saturati    Saturati
  id         21.0056u    20.5319u    63.2653u    20.4472u    20.6786u
  ibs        -5.6305a     0.          0.          0.          0.     
  ibd       -14.2416p    -3.4793a    -6.2937a  -326.3176p  -161.0576p
  vgs       950.5721m   956.5095m   956.5095m   649.4836m   942.0310m
  vds         1.5334    265.5018m   548.8877m     1.7794      1.8938
  vbs      -548.8877m     0.          0.          0.          0.     
  vth       819.0731m   625.4655m   625.4655m   625.4619m   615.2179m
  vdsat     143.5863m   270.4055m   270.4055m    74.4708m   268.7883m
  vod       131.4990m   331.0440m   331.0440m    24.0217m   326.8131m
  beta        2.0048m   471.2720u     1.4138m     9.6929m   465.7202u
  gam eff   678.0000m   678.0000m   678.0000m   678.0000m   678.0000m
  gm        230.8379u   105.8696u   345.4201u   346.3295u   115.7675u
  gds       625.7339n    10.2678u     1.7672u   488.8814n   120.9435n
  gmb        63.0612u    35.4370u   114.8098u   122.2812u    38.7179u
  cdtot      11.1126f    10.9577f    17.4995f    70.1319f    11.1053f
  cgtot      35.3704f    35.6001f   104.3176f   512.9885f   131.6175f
  cstot      33.9913f    31.6197f    83.7132f   387.4480f   103.5488f
  cbtot      30.3158f    28.6968f    63.1605f   382.3310f    71.5733f
  cgs        30.4785f    30.5304f    91.6915f   371.2012f   119.0351f
  cgd         2.0843f     2.7726f     4.9126f    18.1321f     1.8806f



subckt    xi5.xmn21   xi5.xmn18     
element  67:m0       68:m0            
model    67:nmos_3p3 68:nmos_3p3  
region      Saturati    Saturati      
  id         20.5510u    20.5319u   
  ibs         0.         -5.8683a         
  ibd        -5.8472a    -3.3102a      
  vgs       942.0310m   869.6778m         
  vds       942.0310m   691.0077m      
  vbs         0.       -265.5018m         
  vth       615.2179m   735.0667m   
  vdsat     268.7883m   141.5769m   
  vod       326.8131m   134.6112m   
  beta      465.7202u     2.0007m   
  gam eff   678.0000m   678.0000m   
  gm        115.2691u   223.9965u   
  gds       162.5101n   850.8159n   
  gmb        38.5591u    67.6942u   
  cdtot      13.5871f     9.1769f     
  cgtot     132.7380f    36.2489f     
  cstot     103.5626f    35.4452f     
  cbtot      72.9624f    29.5635f     
  cgs       119.0756f    30.1084f      
  cgd         2.9800f     3.1008f      



subckt     xi5.xmp0  
element   79:m0      
model     79:pmos_3p3
region     Saturati
  id       -64.6983u
  ibs        0.     
  ibd       34.7852p
  vgs       -1.0264
  vds       -2.1835
  vbs        0.     
  vth     -869.6275m
  vdsat   -151.4233m
  vod     -156.7586m
  beta       4.8766m
  gam eff  489.1245m
  gm       664.2119u
  gds        1.4768u
  gmb      173.0358u
  cdtot    107.3737f
  cgtot    520.8095f
  cstot    489.8453f
  cbtot    393.0871f
  cgs      467.4127f
  cgd       18.6927f



subckt    xi5.xmp1    xi5.xmp4    xi5.xmp3    xi5.xmp5    xi5.xmp6  
element  80:m0       81:m0       82:m0       83:m0       84:m0      
model    80:pmos_3p3 81:pmos_3p3 82:pmos_3p3 83:pmos_3p3 84:pmos_3p3
region      Saturati    Saturati    Saturati    Saturati    Saturati
  id        -64.6982u   -60.0377u   -60.0377u   -60.0377u   -60.0377u
  ibs         0.          0.          0.          0.          0.     
  ibd        34.7862p     6.4732a     6.4732a     4.9729p     4.9083p
  vgs        -1.0264     -1.2177     -1.2177     -1.0197     -1.0197
  vds        -2.1835   -386.4244m  -386.4277m    -1.9502     -1.9488
  vbs         0.          0.          0.          0.          0.     
  vth      -869.6275m  -869.4656m  -869.4656m  -869.6291m  -869.6291m
  vdsat    -151.4231m  -291.5015m  -291.5015m  -146.8337m  -146.8360m
  vod      -156.7584m  -348.2825m  -348.2825m  -150.1168m  -150.1201m
  beta        4.8766m     1.1741m     1.1741m     4.8836m     4.8836m
  gam eff   489.1245m   489.1242m   489.1242m   489.1245m   489.1245m
  gm        664.2112u   302.9908u   302.9912u   635.7076u   635.7029u
  gds         1.4768u    12.4161u    12.4158u     1.4805u     1.4810u
  gmb       173.0356u    77.7560u    77.7561u   165.7678u   165.7667u
  cdtot     107.3737f    35.2689f    35.2689f   110.7724f   110.7949f
  cgtot     520.8094f   144.6231f   144.6231f   518.4552f   518.4616f
  cstot     489.8452f   147.0478f   147.0478f   487.4786f   487.4798f
  cbtot     393.0870f   117.9129f   117.9128f   395.9835f   396.0011f
  cgs       467.4126f   131.0624f   131.0624f   463.4270f   463.4290f
  cgd        18.6927f     8.9390f     8.9389f    19.3642f    19.3691f



subckt    xi5.xmp9    xi5.xmp8    xi5.xmp7    xi5.xmp11   xi5.xmp10
element  85:m0       86:m0       87:m0       88:m0       89:m0      
model    85:pmos_3p3 86:pmos_3p3 87:pmos_3p3 88:pmos_3p3 89:pmos_3p3
region      Saturati    Saturati    Saturati    Saturati    Saturati
  id       -400.9343u  -400.3901u  -129.3968u   -42.2597u   -21.0057u
  ibs         0.          0.          0.          0.          0.     
  ibd         1.9339p   813.3504f    17.7883a     5.1936a     4.4233a
  vgs        -1.2262     -1.2262     -1.2262     -1.2189     -1.2177
  vds        -1.8337     -1.7674   -807.3078m    -1.2189     -1.2177
  vbs         0.          0.          0.          0.          0.     
  vth      -869.6299m  -869.6304m  -869.6371m  -869.6342m  -869.6342m
  vdsat    -296.7444m  -296.7441m  -296.7391m  -291.3038m  -290.4621m
  vod      -356.5954m  -356.5950m  -356.5882m  -349.2507m  -348.1139m
  beta        6.9996m     6.9996m     2.3332m   778.9877u   389.5909u
  gam eff   489.1245m   489.1245m   489.1245m   489.1245m   489.1245m
  gm          2.0213m     2.0188m   651.1398u   217.4836u   108.4466u
  gds         8.0608u     8.3590u     7.0420u     1.3445u   668.8953n
  gmb       514.5613u   513.9819u   166.1390u    55.4804u    27.6688u
  cdtot     148.6906f   150.4441f    78.8264f    19.0739f    15.3768f
  cgtot     845.5470f   846.1993f   286.6770f    95.0578f    47.5203f
  cstot     733.2445f   733.2463f   259.7120f    98.2790f    50.4359f
  cbtot     518.7239f   519.8292f   212.6538f    75.8920f    45.0909f
  cgs       785.6899f   785.6951f   261.9919f    87.1401f    43.5568f
  cgd        31.2710f    31.9201f    15.2070f     4.6860f     2.3430f



subckt    xi5.xmp13   xi5.xmp14   xi5.xmp20   xi5.xmp17   xi5.xmp15
element  90:m0       91:m0       92:m0       93:m0       94:m0      
model    90:pmos_3p3 91:pmos_3p3 92:pmos_3p3 93:pmos_3p3 94:pmos_3p3
region      Saturati    Saturati    Saturati    Saturati    Saturati
  id        -20.4475u   -20.3794u   -20.5510u   -20.6788u   -20.5319u
  ibs         0.          0.          0.          0.          0.     
  ibd       877.0729a     8.5305a    13.3154p     8.7666a     3.0068p
  vgs        -1.1792     -1.1792     -1.1792     -1.0263     -1.1792
  vds        -1.5206     -1.1792     -2.3580   -846.3077m    -2.1648
  vbs         0.          0.          0.          0.          0.     
  vth      -855.7277m  -855.7277m  -855.7277m  -869.6368m  -855.7277m
  vdsat    -270.1862m  -270.1862m  -270.1862m  -151.3266m  -270.1862m
  vod      -323.4637m  -323.4637m  -323.4637m  -156.6191m  -323.4637m
  beta      455.2863u   455.2863u   455.2863u     1.6256m   455.2863u
  gam eff   488.7257m   488.7257m   488.7257m   489.1245m   488.7257m
  gm        114.8017u   114.3818u   115.3887u   213.6104u   115.2856u
  gds       167.0837n   239.5628n    94.0945n   962.3378n   104.5123n
  gmb        29.6480u    29.5460u    29.7879u    55.7258u    29.7636u
  cdtot      31.8336f    34.6847f    27.9448f    40.9206f    28.6235f
  cgtot     346.6473f   347.9475f   345.5153f   177.2794f   345.6546f
  cstot     262.9433f   262.9544f   262.9339f   167.6933f   262.9351f
  cbtot     157.1473f   158.7217f   154.3683f   136.9111f   154.9108f
  cgs       327.1516f   327.1839f   327.1241f   155.8254f   327.1276f
  cgd         5.7781f     7.0593f     4.6638f     9.8959f     4.8007f



subckt    xi5.xmp16   xi5.xmp19   xi5.xmp18
element  95:m0       96:m0       97:m0      
model    95:pmos_3p3 96:pmos_3p3 97:pmos_3p3
region      Saturati      Cutoff      Linear
  id        -20.6788u   -38.3755a    23.1113f
  ibs         0.          0.          0.     
  ibd         4.7380a   6.815e-19  -4.873e-27
  vgs        -1.2262    229.4924p    -3.3000
  vds      -379.9176m    -2.6505    229.4924p
  vbs         0.          0.          0.     
  vth      -869.6401m  -817.2634m  -859.8494m
  vdsat    -296.7369m   -36.5309m    -1.5862
  vod      -356.5852m   817.2634m    -2.4402
  beta      388.8680u   108.9148u    54.9198u
  gam eff   489.1245m   490.5206m   490.6307m
  gm        101.7051u     1.1106f     5.4791f
  gds         4.7040u    13.7206a   100.7060u
  gmb        26.0602u   294.0416a     2.8319f
  cdtot      22.4039f     1.8862f     2.8286f
  cgtot      48.1857f   918.8050a     1.4835f
  cstot      51.7882f     3.5802f     3.5585f
  cbtot      52.6520f     5.7077f     5.2576f
  cgs        43.6699f   212.6164a   732.2662a
  cgd         3.0342f   126.1381a   735.1501a

bellona

自己顶一下，大家帮忙给看一下吧。包括了dummy管在内的原理图如下：

dummy管在图中由红色标注，我怀疑输入端的dummy管也有可能引起该问题，请大家帮忙出个主意，谢谢了。