中山学院-电流镜和基准电压源的设计

学生实验报告系别电子信息学院课程名称集成电路设计实验班级10电科实验（八）电流镜和基准电压源的设计姓名实验时间2013年6月7日学号指导教师张华斌成绩教师签名批改时间2013年月日报告内容一、实验目的和任务电流镜和基准电压源是模电电路设计中最基本的单元电路，是提供电路正常工作的偏置电源，它可以保证电路在外界条件（如温度、电压）变化的情况下，电路系统还可正常工作，不会因外界条件的影响而使得电路出现功能失常或处于不工作状态。因此，电流镜和基准电压源的设计是确保其他电路设计的关键。本实验的目的了解电流镜和基准电压源的工作原理，学习设计电流镜和基准电压源。通过该实验，使学生了解电流镜和基准电压源结构，加深对知识的理解，增强学生的实验与综合设计能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。二、实验原理介绍模拟集成电路对于新手来说比较难看懂。他们常常认为这些电路图完全是任意的由一些电阻、晶体管、电容、电感等组成。然而，当近距离观察它时就会很容易发现，不同的电路都有各自的功能。有许多典型的电路：单级放大电路，例如共源极、共栅极、微分放大器、电压和电流基准电路和电流镜等。由于电流镜和基准电压源在不同用途的电路当中用途非常广泛，所以应用设计模拟电路方面的经验来设计电流镜和基准电压源。现在有很多成熟的电路仿真器，很多设计工作都需要通过模拟仿真进行验证，尤其在模拟电路最佳化设计时仿真器起到非常重要的作用，但是它不能代替手工计算以及设计电路的过程。在模拟电路设计前，必须先熟悉电路的功能并且知道一些重要的设计参数。一个只有两个场效应晶体管的简单电路具有6个设计参数：沟道宽度W和长度L、每个晶体管的漏极电流Ids。如果不了解这些参数，那么在模拟仿真电路时将会不知所措，最终达不到好的练习效果，所设计出来的电路也不可能有任何的创新性和竞争性。因此，通常先在纸上用最简单的方法进行电路设计。当然，手算最终不是非常精确的，但是它能让你理解设计参数和优化电路设计之间的关系。下面列出了AMSC35FETs的典型参数。丫-丫-VgsTHtn,p]IforNFETds-1fi)rPFETdsKpln,p]二卩effln,pFoxVTH[VTH[n,p]=VTH0fFT[n,p]+%AH^p]"VBSV=V-VdsatgsTHLn,pJ[ifV>VforNFETFETinsaturation<IifV<VforPFETdsdsat表1AMSC35FETs的典型参数(*)：forW=10umandL=0.35um3.3VNFET3.3VPFETUnitKPn170Kpp58yA/V2VTH0n(*)0.50V(*)TH0pv丿-0.65V丫“0.58Tp-0.40V1/2^Fn0.44pXFp0.42V三、关键的实验步骤、实验中出现的问题和解决方案1.电流镜的设计电流源在不同用途的模拟电路中有非常广泛的应用。图1表示将场效应晶体管应用到电流源中的一次尝试，然而这样一个电流源不能应用到高电压引起温度改变导致强电流的电路中。MOSFET的阈值电压改变量不会超过100mV,温度变化会引起迁移率和阈值电压的改变。因此，IREF受很多参数影REF响，要想在不同情况下保持其理想状态是很困难的。我们的构想是，假设参考电流是精确的，我们可以从这个参考电流得到一个准确的电流。假设这种参考电流是存在的。如图2所示，这个结构被认为是电流镜结构，起到复制电流的作用。晶体管M1相当于二极管结构，因而受到饱和度控制。从式(1)和式(2)中可以看出，叫，VTH，或者Vdd不能直接影响输出电流IOUT，输出电流公式为：W/L「CC/22彳OUTW/L11

1)电流镜的模拟输出端电压、电流和输出阻抗电流镜的两个主要的特性参数是它的最小电压输出值和最小的输出电阻。确定这两个参数的步骤如下：创建一个目录mirror，该目录下的工艺库为设计用的工艺库。在库中创建一个新的目录并且生成一个新的电流镜的示意图。通过图3所示，从Primlib库中找到nmos4,电流源用目录中的ide元件。所有晶体管L=0.35um,W=1.75um。=100/A=100/AREFV=3.3V；V=3.3V；DDrDC一M2Qv=1.5VOUT对图3的镜像电流源电路图输出端进行直流扫描，扫描电压为0〜3.3V。将M2晶体管的漏极电流IDS作为输出函数，然后在1〜2V范围内计算镜像电流源的输出电阻rt,假如这个输出节点是悬空DSout的，确保在上面的模拟环境中，标记上选择的电流IDS2(与参考电流一致)，器件输出端的信号被保存下来，这样可以确定漏端的初始电压VDS2。根据直流扫描分析，可以确定输出电阻和Vd，在扫描中将输出电压设为1.5V,标上直流扫描dsat2分析的节点，进行模拟仿真。然后选择结果并打印出直流扫描的节点，在直流扫描的时候，检查M2晶体管扫描的节点。现在就可以直接读出从vdt2到地之间的输出电阻。思考这些值与实际的结果的匹dsat2配程度是否取决于这些节点。降低饱和电压模拟先前的输出电压VOUT（最小值等于Vdsat2），对于提供的3.3V电源电压而言，输出电压范围相当的大。多数情况是几个晶体管必须堆叠在一起，在输出支路上得到良好的电流镜（将显示在后面的练习中），这些将进一步减少输出电压摆幅。随着工艺的改善线宽不断缩小，电源电压已经缩小到了2.5V（0.25um的工艺）、1.8V（0.18um的工艺），或1.2V（0.13um和90nm）,但饱和电压并没有按比例缩小，从而造成了电流镜的输出电压摆幅减小，影响了电路的输出电压范围。通过以下步骤，我们可以将饱和电压减小约200mV。MOSFET的饱和电压取决于参数W/L的比例。因而，通过改变参数W/L的比例，以降低饱和电压。确定参数W/L的比例为Vdsat=200mV,保持L为0.35pm，然后计算所需要的W。思考：模拟的Vdt与计算的值是否匹配？为什么不匹配呢？输出电阻出现了什么问题？dsat（3）增加输出电阻MOSFET的输出阻抗可以被模拟为：1r=—o九Id作为初步的计算，并且九值为一个恒定的值。然而，建模计算一个MOSFET的输出电阻，其实是非常棘手的，r是被一些简单的公式参数所影响。计算r的步骤如下：OO从以上简单的公式和输出电阻的定义计算沟道长度。调节MOS管使W/L变化，不断地模拟电流镜。思考什么是模拟值的输出电阻？饱和电压发生了什么变化？虽然增加沟道长度会增加芯片面积，但也可以增加电流镜的输出阻抗，使得电流恒定。因此，增加r的值是可取的。下面介绍的采用串级电流镜的方法能够更好地提高输出阻抗。O（4）高输出摆幅的串级电流镜到目前为止，沟道长度调制效应还在被忽视，IOUT和IREF的关系如下：OUTREFrW/LTI=221（3）OUTW/L11然而，还考虑到沟道长度调制效应后，上式变为：W/L1+九VI=22ds2I（4）OUTW/L1+九VREF11ds1上式表明，M1和M2的漏极电压应产生相同的IOUT，该输出电流能被看做IREF精确的镜像拷贝电OUTREF流，然而，Vd2在图2中是由驱动电路定义的。ds2根据以上分析，设想在输出端使用串级电路(Cascode电路)，在M2上连接一些其它的晶体管，目的是通过输出电压的变化保护M2的漏端。由此产生的结构是共基放大器电流镜。然而，这个串级电流镜在电压输出Vt上浪费了一个阈值电压，因此，在实际电路中为如图4所示的高输出摆幅的串级电out流镜结构，能够克服上述电流镜的缺点。+V+VOUT2•参考电流与基准电压设计这里一直假定，一个确定的参考电流IREF是可获得的。通常，基准电压的获得是通过加载参考电REF流，设计的参考电流和基准电压彼此有密切关系。(1)简单的参考电流图5给出一个更好的电流源。在图5中，左边电路是一个NMOS管，右边电路是一个PMOS管，它们组成了一个电流源的功能。然而，值得注意的是图5电流源仍然依靠VDD电压提供，当然也和温度变化等因素有关。思考：①观察图5中的PMOS的结构并且假设IOUT=100A、VDD=3.3V。问：M2的输出电阻值应取多大时?才能确保不管M2输出电压变化多大，其输出电流值精度都控制在1%以内。VDDVDD舟RrefOUTMiM2VDDVDD舟RrefOUTMiM2REF1m丄m2REF|:RREFOUT图5NMOS和PMOS管结构的参考电流源②是否可以通过改变晶体管的沟道长度，达到任何需要的输出电阻？假设九=0.2V-1,试确定晶体管的p最小沟道长度。(2)简单的基准电压设计一个简单的参考电压源，通过图5中加入M3所连接的二极管，形成基准电压源如图6所示。计算简单的基准电压的器件尺寸，其中参考电压源vref=IV。REF图6图6简单的基准电压Q如果参考电流IREF=10pA和饱和电压Vdt1=-200mV,可以计算晶体管M1的宽长比和Rref。用一REFdsat1REF个最小沟道长度L的晶体管，计算晶体管M2的宽度W,例如：IOUT=100yA(N=10),通过比较晶体管的最小沟道长度，计算晶体管M3的宽度:假设一个值A使得L3=0.35pm,假设一个值B使得L3=3.5帆。(用L2=3.5pm来增加输出电阻)。@创建一个新的电压VREF，对设计的基准电压进行直流扫描，在图中注释直流工作点，调整M2的尺REF寸使得V的误差在1%以内。REF

@通过对VREF在20%范围内的调整，请问输出电压变化的情况A和B哪一个是更可取的。REFQ现在电源电压VDD在10%的范围内变化，请问这里面的输出电压A和B哪种情况更好？图片：电流镜finm:J0...Ildc=1t?:®U1■■■M3-.恤"gh_?5“占证=拥：2叱1*1..4IJ-JIhrnc-eZv|nei9.i|.亠r~~qnd!——fw;2u芒fir|qers:1京寸finm:J0...Ildc=1t?:®U1■■■M3-.恤"gh_?5“占证=拥：2叱1*1..4IJ-JIhrnc-eZv|nei9.i|.亠r~~qnd!——fw;2u芒fir|qers:1京寸■m-1.I.M2--l:280n'hrnc-s^10net9|「5nd!'gr：idqncl348,20Irn•M2----jds=107,427uvgs=940.578mII---vds=1口vth=5'J0.067m.Ivds.atJT'v'1....-ki=—107.427U—----nrnos2v丨net10|ITV0\i=—100u10..."=2.35942--fv13ids=100,001uvgs=940.578mi~~qnd!vd5=944578mvth=521003m■•'/dsat=345,351mInmos2vjnet9.1he19eB田回圄厨尹題略％圍冗柱中盟ELabelCFileEditFrameGraphAxisTraceMarkerZoomToolsHelp口回回Si/Vl/MINUS;de(I)DCResponse?n)o10•>i/V1/MINUS;de(I)斗0.0Current.Mirror.10Benchmark"pchdSl=3,5uVGB—fw=8ufingers:11m：l.Ipmos2vM0'bch_25"1=3,"VL/LJfw=800nfingers:1±net3Benchmarkids=l14.374uvgs=997.336mvds=|997.336mvth=p81.9mvdso|=329.B85mnmc>52vInetsnetSlT-10Benchmark"pchdSl=3,5uVGB—fw=8ufingers:11m：l.Ipmos2vM0'bch_25"1=3,"VL/LJfw=800nfinge