精密电流源毕业设计

本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目： 精密电流源姓 名： 学 院： 系： 专 业： 年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称：高级工程师指导教师（校外）： 职称：2011 年 5 月 31 日精密电流源摘要：本文介绍了带隙基准电流源的原理以及电流源的设计。首先通过带隙基准理论的研究对带隙电源的基本原理有一定的了解，再确定电流源设计的基本结构，然后设计电路的细节，最后初步设定了所要达到的指标，本文的设计两个正负温度系数相加使得温度系数在某一温度下为 0，从而达到良好的温度系数。关键词： 电流镜 带隙基准 温度系数 Pspice 仿真Precision current sourceABSTRACT:This paper introduces how to design bandgap benchmark current source. First through studying the bandgap benchmark theory we have certain knowledge of the basic principle of bandgap power , then we design the basic structure of current source , and design the details of circuit , last we set the parameters to reach index. this design use two current sources and them respectively have positive and negative temperature coefficient .we makes them Combine and its temperature coefficient is 0, to achieve good temperature coefficient.KEYWORDS:Current mirror bandgap benchmark temperature coefficient Pspice simulation目录第一章 引言 .51.1 研究背景与目的 .51.2 主要工作 .51.3 论文结构 .5第 2 章 电流镜2.1 概述 .62.2 电流镜的基本结构 .6第三章 带隙电流源的基本原理 .73.1 概述 .73.2 与电源无关的偏置 .73.3 与温度无关的基准 .93.3.1 负温度系数电压的产生 .93.3.2 正温度系数电压的产生 .103.4 带隙基准 .113.5 PTAT 电流的产生 .13第四章 精密电流源的设计 .144.1 设计方案与指标 .144.2 与电源无关的偏置 .154.3 基准电流的设计 .154.4 精密电流源的实现 .164.5 其他类型的电流源 .18第五章 电路的仿真与分析 .205.1 HSPICE 简介 .205.2 电路的仿真与分析 .215.3 仿真性能汇总 .23第六章 结论总结 .24致谢语 .25参考文献第一章 引言1.1 研究背景与目的基准电流源是模拟集成电路中用来作为其他电路的电流基准的高精度、低温度系数的电流源，电流源作为模拟集成电路的关键电路单元，广泛应用于运算放大器、D/A 转换器、A/D 转换器中。偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准参考电流源的复制。 基准电流源是模拟电路所必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须具有高质量、高稳定性的电流和电压偏置电路来支撑，它的性能会直接影响电路的功耗、电源抑制比以及温度等特性。如何设计一个低温漂、高电源抑制比的基准电流源是模拟电路设计者所关心的课题之一。本论文目的在于介绍一种高精度、低温漂的带隙基准电流源，首先对电流镜、带隙基准的原理进行了系统的的分析和总结，对此电流源有个深入的了解，初步了解基准电流源的设计方法和过程，在设计过程中，进一步掌握必要的知识及熟练使用仿真软件的能力。1.2 主要工作本文从电流镜，带隙基准的基本知识和原理讲起，期间我查阅了很多相关的书籍和论文等资料，在对原理有了比较清晰地了解后，我开始了带隙基准电流源的设计，我在导师的帮助下，不断地改进设计，尽量使自己的设计能够满足要求。再对已设计的电路进行 Hspice 仿真，在学长的帮助下使电路的参数更加完善，也使我对电路设计的方法和性能测试进一步掌握，最终得出较为满意的设计指标。1.3 论文结构本文主要设计了一种简单带隙基准电流源，论文安排如下：第二章：介绍电流镜的基本原理。第三章：介绍带隙基准的基本原理第四章：介绍带隙基准电流源的电路设计思路和方法。第五章：运用 HSPICE 软件对设计电路进行仿真。第六章：给出总结。第二章 电流镜的基本原理2.1 概述电流镜(CM)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路，能减少电压变化和温度变化带来的误差，其性能对整个电路乃至系统的性能都有重要的影响。为了适应各种电路及系统性能的要求，不同的电路需要使用不同结构的电流镜，如放大器、比较器、自校准电流源等使用结构简单的电流镜，而转换器等要求高性能电流镜。输出阻抗和电流匹配精度是决定电流镜性能最重要的参数。 2.2 电流镜的基本结构模拟集成电路中电流源设计的基本思路是从一个参考电流源“复制”电流。下面介绍电流复制的基本原理。对于一个场效应管，在忽略沟道调制效应的前提下（即） ，根据饱和萨氏方程ID=gmVGS=K(VGS-Vth)2,可知饱和的 MOS 管漏极电流在器件的尺寸（W/L）与工艺（u n， Vth）确定的条件下只与其栅源电压有关，所以只要是相同的工艺参数制作的两个相同的 MOS 器件具有相同的栅源电压，并且都在饱和区，则其漏极电流完全相等，即实现了所谓的电流复制。但由于实际电路存在沟道调制效应，此时饱和 MOS 管的其漏极电流 图 2.1为 ID=gmVGS=K(VGS-Vth)2(1+V DS)，所以饱和漏极电流不仅是 VGS 的函数，而且是其漏极电压 VDS的函数。即具有相同的栅极电压，但存在沟道调制效应时，漏极电压 VDS 若不相等，则其电流也不会相同。基于以上思路，所设计的基本电流镜的结构如图 2.1 所示。上图中 M1 与 M2 构成的电路结构称为“电流镜” ，I R 为参考电流，I 0 为输出电流，且由于 ，所以 M1 工作于饱和区，假设 M2 的 ，则1GSD thGSDV也 M2 工作在饱和区，根据饱和萨氏方程，在考虑沟道调制效应时有：（2.1）从上,2.1 可以看出：假如已有 IR，只要改变 M1 与 M2 的宽长比，就可设计出Io，它即可以与 IR 相等，也可与 IR 成一比例关系，所以也称为比例电流镜，这种技术在模拟集成电路中有着广泛的应用，比如作为放大器的负载。但是由于存在沟道调制效应，且 VDS2 是一变量，因此 Io 实际上不是一个恒流源。如何改善 Io 的恒流特性以实现真正意义上的电流源，从式 2.1 可以看到原则上有两种方法：减小以至消除 M2 的沟道调制效应（因为 VDS1V GS1 为定值，故 M1 不影响 Io 的恒流特性） ，即通过增大 M2 的沟道长度，以减小 ，增大输出阻抗，从而改善恒流特性。设定 VDS2 VDS1，则可知 Io 与 IR 只与 M1、M2 的宽长比相关，从而得到具有很好的恒流特性的电流源。第三章 带隙电流源的基本原理3.1 概述模拟电路广泛地包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。例如一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为它会影响到电路的电压增益和噪声。产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：1.与绝对温度成正比（PTAT）2常数 Gm 特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；3.与温度无关。因此，我们可以将任务分为两个设计问题：与电源无关的偏置和温度变化关系的确定。3.2 与电源无关的偏置我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流。如图 3.1 所示，如果 IREF 不随 VDD 变化，并前忽略 M2、M3 的沟道长度调制效应，那么 ID2 和 ID3 就保持与电源电压无关。所以问题是 :我们如何产生RDSo IVLWI )1()(122IREF 呢？图 3.1 电流镜偏置使用作为一个近似的电流源，我们将电阻接在 VDD 和 M1 的栅极之间，如图所示。但是，这种电路的输出电流对 VDD 很敏感：为了得到一个对 VDD 不敏感的解决方法，我们假设电路必须由自己偏置，即 IREF 必须通过某种方式由 IOUT 得到。这种思想是如果 Iout 最终与 VDD 无关，那么 IREF 就可以是 IOUT 的一个复制。图 3.1 是一个电路实现， M3 和 M4 复制了IOUT 。从而确定了 IREF。从本质上讲， IREF 被“自举 “到 IOUT。选择一定的MOS 管尺寸，如果忽略沟道长度调制效应，我们有 IOUTt=KIREF。请注意，因为每个二极管方式连接的器件都是由电流源驱动的，所以相对来说，I REF 和 IOUT与 VDD 无关。但是电流仍旧是工艺和温度的函数。为了唯一确定电流值，我们对电路加入另一个约束，如图 3.1 所示的。图中，因为 PMOS 器件具有相同的尺寸，虽然要求 IOUT=IREF,但是电阻 Rs 减小了 M2 的电流。可以写出 VGS1=VGS2+ID2RS，或 1 222(/)(/)out outTHTHoutSnxNnxNIIVICWLCKWL图 3.2（a ）确定电流而增加 Rs （b）消除体效应的替代电路忽略体效应我们有： 21()/)out outSnxNIIRCWLK因此： 221()(/)outnoxNSI正如所希望的，电流与电源电压无关（但仍旧是工艺和温度的函数） 。因为 M1 和 M2 的源极位于不同的电位，所以在前面计算中假设 VTH1=VTH2会产生一些误差。如图 3.2，一种简单的修补方案是在 M3 的源极引入一个电阻，同时通过将每个 PMOS 晶体管源极和衬底相连来消除体效应。如果沟道长度调制可以忽略，总电路表现出很小的电源依赖性。正是由于这个原因，此电路中的所有晶体管均采用相对较长的沟道。3.3 与温度无关的基准与温度关系很小的电压或电流基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。带隙基准电压的基本原理是将两个拥有相反温度系数（temperature coeffiicient）的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。例如，电压 V+拥有正温度系数，电压 V-具有负温度系数，存在合适的权重 和 满足这样就得到了具有零温度系数的基准电压，基准电压的表达式：现在我们必须认识到具有正温度系数和负温度系数的两种电压。在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数、严格定义的量。尽管 MOS 器件的许多参数已被考虑用于基准产生，但是双极电路还是形成了这类电路的核心。3.3.1 负温度系数电压的产生双极晶体管的基极发射极电压（V BE