设计共源共栅电流镜

1、设计共源共栅电流镜1、课程设计的目的熟悉软件使用，了解Cadence、Hspice等软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路版图实现所给要求。2、课程设计题目及要求 2、1课程设计题目：低输出电压高输出电阻的电流镜设计。2、2课程设计要求：1、电流比 1：1。2、输出电压最小值 0.5V。3、输出电流变化范围 5100UA3、课程设计报告的内容3、1确定电路拓扑结构其中：每个MOSFET的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析（对不起，这部分分析是电路设计的基础，希望大家看相关的资料，这里就不详细展开了

2、。），可以知道该电路的特点如下：1.小信号输入电阻低（1/gm1）2.输入端工作电压低（）3.小信号输出电阻高（）4.输出端最小工作电压低（）3、2 设计变量初始估算3、2、1 确定(W/L)1、（W/L）2为了计算设计变量，我们有必要了解电路MOSFET的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5V, 令：MN3管工作于临界饱和区（即：=0.5V），而MN1、MN2管随着输入电流从5UA变到100UA的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区，同时令：当MN1、MN2工作在临界饱和区时。为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算),为了后面HSPICE仿真时能够深刻地体

3、会到调整W/L的必要性,这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。3、2、2 确定(W/L)3、（W/L）4从MN3管的角度来考虑问题，当100UA时，为了使MN2管工作在临界饱和区，的电压降不可以过大，即：又MN3管工作于临界饱和区，则：为了后面HSPICE仿真时能够深刻地体会到调整W/L的必要性,这里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。3、2、3确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=13、2、4确定IB在确定IB前要先计算,根据衬偏效应可以得到:因为MN3工作在临界饱和区，所以：又MNB管工作于MOS二极管状态：3、2、5 确定沟道长度L对沟道长度的约束有：1一定

4、的下，要使较大，则要取较小的值，即L要取较大的值。2短沟效应，要求L取较大的值。3沟道调制效应，要求L取较大的值。4匹配性，要求L取较大的值。5可生产性，要求L取较规整的值。6寄生性，要求L取较小的值。7最小的版图面积，要求L取的较小的值。8工业界的经验要求：L>=5倍的特征尺寸。综上所述，版图设计中取3、2、6 验证直流工作点1. MNB：二极管连接确保它工作于饱和区。2. MN3：工作于临界饱和工作区。3. MN1、MN2：当,它们工作于临界饱和区；当减小时，减小且增大，使它 们工作在过饱和区。4. MN4：要使MN4管工作于饱和区，则：而,显然上式成立。即MN4工作于饱和区。3、

5、3 HSPICE仿真验证3、3、1旨在调整设计变量的仿真：1、电路拓扑结构节点命名：其中：每个MOSFET的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.2、按初始估算设计变量仿真采用初始估算的设计变量，即：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM;IB=20UA，同时调整RL44.7KOHM，使MN3进入临界饱和。仿真输入：该电路的HSPICE仿真网表文件为：cascode_current_mirror_01.sp,文本如下：enhanced minmum output voltage cascode c

6、urrent_mirror*file_header*file_name:cascode_current_mirror_01.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*library*.include "D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designB00_libhua05.sp" *end_library*netlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81U MN2 3 1 GND

7、 GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 44.7K *end_netlist*source*VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 20UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*print*.PRINT DC I(RL).PROBE*end_print*.END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascod

8、e_current_mirror_01.lis文件中，其中可以看到如下的内容：可见MN14管都工作在饱和区，可是输出端(5节点)电压约为0.535V超过指标要求，因此需要进一步更为重要的调整和仿真。3、调整设计变量仿真1.调整步骤一：根据，要减小，可以减小或增大，为了版图设计的方便，保持初始估算的值，而把调小到17UA。这时，(W/L)1=(W/L)2 (W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM; IB=17UA，同时调整RL45.2KOHM，使MN3进入临界饱和。仿真输入：该电路的HSPICE仿真网表文件为：cascode_current_mirror_02

9、.sp,文本如下：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror*file_header*file_name:cascode_current_mirror_02.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*library*.include "D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designB00_libhua05.sp" *end_library*ne

10、tlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81U MN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 45.2K *end_netlist*source*VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 17UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*print*.PRINT DC

11、 I(RL).PROBE*end_print*.END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_02.lis文件中，其中可以看到如下的内容：可见输出端(5节点)电压约为0.491V符合指标要求，可是MN1、MN2又退出了饱和区，因此需要更进一步调整和仿真。2.调整步骤二：根据MOS管的工作原理可知，要使MN1、MN2进入饱和区，应该减小和,又,所以应该把(W/L)14调大。当(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM; IB=17UA，同时调整RL45.2KOHM，使MN3进入临界饱和。仿真输入：

12、该电路的HSPICE仿真网表文件为：cascode_current_mirror_03.sp,文本如下：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror*file_header*file_name:cascode_current_mirror_03.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*library*.include "D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_

13、designB00_libhua05.sp" *end_library*netlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=93U MN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=93UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=93UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=93UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 45.2K *end_netlist*source*VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 17UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analys

14、is*.OP.TEMP 27*end_analysis*print*.PRINT DC I(RL).PROBE*end_print*.END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_03.lis文件中，其中可以看到如下的内容：可见MN1MN4均工作在饱和区，输出电流和输入电流（100UA）相近，输出电压约为0.487V符合指标要求。为了进一步验证设计变量是否适合，我们把减小到50UA和5UA的再进行仿真，只要在cascode_current_mirror_03.sp文件中把*IIN VD 1 DC 100UA分别改为：*IIN VD 1 DC 50UA和*I

15、IN VD 1 DC 5UA，并适当的调整RL使MN3刚好进入临界饱和即可。通过仿真可以得到下表的一组数据：(A)()(V)(A)100U45.2K487.0058M99.8450U0.2%50U90.7K466.8759M49.9793U0.04%5U914.2K432.0060M4.9967U0.07%注：仿真时电路中的每个MOSFET均处于饱和区)总之，设计变量调整到目前为止，该电路的直流大信号静态工作点已经比较合适。我们可以暂时确定设计变量如下：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;IB=17UA。3、4版图设计（如图）

16、4、课程设计总结通过共源共栅电流镜设计这个课程设计，让我更加熟悉了电流镜的相关知识，对整个课程设计的总体过程有了初步了解，为以后的课程设计积累了经验，获得了更多实践的经验。课程设计的结果往往不是最重要的，过程才是我们在做课程设计中最宝贵的。希望自己在以后的工作学习中能够开拓思维，继续努力。附件：1、 硅晶体的一些常数硅带隙1.205V(300K)波尔兹曼常数1.38e-23J/K本征载流子浓度(300K)1.45e10真空介电常数8.85e-14F/cm硅介电常数1.05e-12F/cm二氧化硅介电常数3.5e-13F/cm电子电荷1.6e-19C2、 制造工艺0.5um COMS N_WELL 3metal 1poly3、SPICE LEVEL1 COMS体工艺模型参数MOSFETN_channelP_channel阈值电压0.6431V-0.6614V本征导电因子(跨导参数)KP123e-637.9e-6体效应因子0.630.67强反型层表面势垒(300K)0.83V0.84V【注】：由于晶圆制造厂商提供BSIM3V3的MOS模型，而没有直接提供以上设计参数，它们是根据BSIM3V3用户手册推荐的公式并利用晶圆制造厂商提供的BSIM3V3 MOS器件模型参数计算出来的，其实这些公式可以从半导体器件物理中得到，兹将这些公式和BSIM3V3器件模型参数罗列如下：计算公式，MOS