增强型电流镜设计报告.docx

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1、前言：本文谨献给有共同兴趣爱好的同学们，以互相讨论共同进步。由于本人是初学者，文中难免有误， 真诚希望同学和前辈们批评指正；在设计过程中走过不少弯路，深知其中的困难，为了共同的提高，兹特 共享此文。真诚期待喜欢模拟又切实投入时间探讨的同学加为好友：wangqq05377改进型共源共栅电流镜设计报告Author:WANGQQ【摘要】：本文力图严谨、细致和全面地把一个典型的电流镜设计过程呈现给读者，该文探讨的是改进 过的低输出电压高输出电阻的电流镜设计。【关键字】：共源共栅、高输出电阻、低输出电压一. 边界条件1.1工艺规范(1)硅晶体的一些常数硅带隙VG 01.205V(300K)波尔兹曼常数k

2、1.38e-23J/K本征载流子浓度(300K)ni1.45e10 cm -3真空介电常数08.85e-14F/cm硅介电常数 . 11.701.05e-12F/cm一氧化硅介电常数 3.9七3.5e-13F/cm电子电荷q1.6e-19C(2) 制造工艺0.5um COMS N_WELL 3metal 1poly(3) SPICE LEVEL1 COMS体工艺模型参数MOSFETN_channelP_channel阈值电压VT 00.6431V-0.6614V本征导电因子(跨导参数)KP123e-6 A / V237.9e-6 A / V2体效应因子Y0.63 V1/20.67 V1/2强反

3、型层表面势垒2 0 f0.83V0.84V(300K)【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KP = U 二，y =四 h，210 = 2 KT lnj)0 七8 ox /、F q nMOSFETN_channelP_channelVT 00.6431V-0.6614V阈值电压U 00. 03866 m2 /(V - s)0. 0117

4、m2 /(V -s)栅氧化层厚度toxm1.1e-008 m1.08e-008 m沟道掺杂浓度n ch1.2-6e+017 cm - 31.4032e+017 cm - 3沟道调制系数P CLM1.83439552.1465001 MOS器件的电容值和系数（由于以下计算过程没有用到，暂时不再罗列）1.2电源电压MIN： 4.5V； TYP： 5.0V； MAX： 5.5V1.3工作温度MIN： 0 C ； TYP： 27 C ； MAX： 100 C二. 设计指标2.1电流比1： 12.2输出电压最小值0.5V2.3输出电流变化范围5100UA三. 确定电路拓扑结构设计选择的电路拓扑结构如下图

5、所示:MN4MN32RLI6IBMNBMN1nMN2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。)，可以知道该电路的特点如下：1. 小信号输入电阻低2.输入端工作电压低2 Iin max(VT AVMAX= ILKPW / )1)3.小信号输出电阻高(r r1+ (g+ g )r + r )outds 2m 3mb 3 ds 3ds 34.输出端最小工作电压低( 2AV( V = V + 2AV)MAX 4 T 3M

6、AX四.设计变量初始估算4.1 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：V0UTMIN =匕3一 Vr3=0.5V)，而MN1、MN2管随着输入电流I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 V - V VOUTMIN = 0.25V。DS1DS 22/ W I I v-U I. 个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个令个个个个个个个个个个个个个

7、个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个 (:234其实也可以采用别的设计方案比如：在=100%且匕/匕林时令mn2、MN3同时工作在临界饱和区，则:匕s 2+匕/ rn ；2inmax+、Kp(W / L)2 2IINMAX=VKP3(W / L)3OUTMIN：21n IINMAX KPl N则:(/(W /L) * J(W /L)= VOUTMIN，为了使版图面积最小化，令(W/l)2 = (W/L)3，2Inmax.-= VKPnv(W / L)2OUTMIN21_INMAXn (W / L)=2/，、KP ( ounuN )2，后续的计算和刚开始讨论的方案类似，读者可以自己展

8、开。)e$ 力力力力力力力力 $ & 力力力力力 $ 力、力力力“个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个以下我们再回到刚开头讨论的方案，为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)匕s 2 - Vgs 2 - Vt 20，2IN1MAX VV KP2(W / L)DS2T2VOUTIMIN20 (W/L) 2max=_2X10。X】。_6A_2 KP (VOUTMIN )2123.0x 10-6 A/V2 x 0.252V2N LN2

9、6,为了后面HSPICE仿真时能够深刻地体会到调整W/L的必要性，这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。4.2 确定(W/L)3、(W/L)4从MN3管吃3的角度来考虑问题，”=100UA时，为了使MN2管工作在临界饱和区，吃3的电压降不可以过大，即：V V OUTMINGS 3G32又MN3管工作于临界饱和区，则:V0 V V + V OUTMINGS 3D 3T 320VT 321VVINMMAX - V + VKP3(W / L)OUTMIN T33VOUTMIN20，2IN1MAX =5倍的特征尺寸。 综上所述，版图设计中取L = 3uM4.6验证直流工作点1. MNB：二极管连接

10、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I应=1uA，它们工作于临界饱和区；当I应减小时，匕我2减小且VDS12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：V,4 Vgs4 - V4O 匕 4 匕 4 - V 4 Vgs1 V0UTM,N + VT厂匕 451 +叫TMIN而% = 0.6431V，VoutMN = 0.5V，显然上式成立。即MN4工作于饱和区。五.HSPICE仿真验证5.1旨在调整设计变量的仿真5.1.1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

11、=(W/L)4.5.1.2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 RL=44.7KOHM, 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 current_mirror*fileheader*file_name:cascode_current_mirror_01.sp*author :wa

12、ngqq10548377*date:Oct.16,2006*log:none*version :1.0,Oct.16,2006*endfileheader*I -i X re c rc t t + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +* library*.include D:e0 exerciseanalog_cmos_ic_designB00 libhua05.sp234*end_library*net j_ist*MN121GNDGNDNMOSL=3UW=81UMN231GNDGNDNMOSL=3UW=8

13、1UMN3543GNDNMOSL=3UW=81UMN4142GNDNMOSL=3UW=81UMNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3URLVD544.7K*end_netlist*source*VDDVD GND DC 5VIBVD 4 DC 20UAIIN VD 1 DC 100UA*endsource*个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个ana j_ysis个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个.OP.TEMP 27*end_analysis*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*-v-k 1 VI -i

14、- *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *print*.PRINT DC I(RL).PROBE+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +c 八 人 Vk rc r Kt -i- 个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个enuurint个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个.END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_01.lis文

15、件中，其中可以看到如下的内容:* mosfetssubcktelement0:mn10:mn20:mn30:mn40:mnbmodel0:nmos0:nmos0:nmos0:nmos0:nmosregionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiid100.0000U99-8884U99-8884U10O.OOOOU2O.O0OOUibs0.0-9-9997F-9-9998F0.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。5.1.3调整设计变量仿真1.调整步骤一:根据 VOUT

16、MIN = VG3 - VT3 = V +Kp WL)-匕3，要减小VOUTMIN，可以减小1B或增大W /L)B，为 BB了版图设计的方便，保持(W/L)B初始估算的值，而把IB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 RL=45.2KOHM，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.sp文本如下：enhanced minmum output voltage cascode current_m

17、irror*fileheader*file_name:cascode_current_mirror_02.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :noneAversion :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*I -i X re c rc t t + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +* j_i urary*.include D:e0 exerciseanalog_cmos_ic_designB00 libhua05.sp

18、*end_library*net j_ist*MN121GNDGNDNMOSL=3UW=81UMN231GNDGNDNMOSL=3UW=81UMN3543GNDNMOSL=3UW=81UMN4142GNDNMOSL=3UW=81UMNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3URLVD545.2K*end_netlist*source*VDDVDGNDDC5VIBVD4DC17UAIINVD1DC100UA*endsource*ana j_ysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*-v-k

19、1 VI -i- *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *print*.PRINT DC I(RL).PROBE+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +crc r Kt -i-*enprint*.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:* operating point status is all node =

20、uoltagenode=uoltagesimulationnodetime is 0.=uoltage+ 0:1+ 0:4922-8231m1-24450:20:5236.5312m491.2539m232-9081m5.0000* mosfetssubekt element modelregion id0:mn10:nmosLinear10O.OOOOU0:mn2 0:nmosLinear99-7510U0:mn30:nmosSaturati99-7510U0:mn40:nmosSaturati100.0000U0:mnb0:nmosSaturati17.0000U可见输出端（5节点）电压约

21、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V、V 、V 和V，又GS1GS 2GS 3 GS 4VGS21KP(W / L),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 RL=45.2KOHM, 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_03.sp,文本如下: enhanc

22、ed minmum output voltage cascode current_mirror*fileheader*file_name:cascode_current_mirror_03.sp*author :wangqq10548377*date:Oct.16,2006*log:none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*I -i X re c rc t t + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +* library*.include D:e0 exerci

23、seanalog_cmos_ic_designB00 libhua05.sp*end_library*net j_ist*MN121GNDGNDNMOSL=3UW=93UMN231GNDGNDNMOSL=3UW=93UMN3543GNDNMOSL=3UW=93UMN4142GNDNMOSL=3UW=93UMNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3URLVD545.2K*end_netlist*source*VDDVDGNDDC5VIBVD4DC17UAIINVD1DC100UA*endsource*ana j_ysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*l*l*l*l*l*l

24、*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*l*-v-k 1 VI -i- *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *1*1* *print*.PRINT DC I(RL).PROBE+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +c 八 人 Vk rc r Kt -i- 个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个enuprint个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个.END仿

25、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:subcktelement0:mn10:mn2model0:nmos0:nmosregionSaturatiSaturatiid100.0000U99-8450U-w Hlnn* mosfets0:mn30:mn40:mnb0:nmos0:nmos0:nmosSaturatiSaturatiSaturati99.845Ou10O.OOOOU17.0000U_n nnnoiz_n rmnoiznall=uoltagesimulationnodestatus isnodetime

26、 is 0.=uoltage* operating point node =uoltage+ 0:1+ 0:4903.1716m1-24450:20:5249.1846m 0:3 487.0058m 0:ud2455359m5.0000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Iin减小到50UA和5UA的再进行仿真，只要在cascode_current_mirror_03.sp文件中把*IINVD 1 DC 100UA 分别改为：*IIN VD 1 DC 50UA和*IINVD 1 DC

27、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：IN(A)Rlmax (。)VOUTMN (V)IOUT (A)I -1NOUTIINX100%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=

28、3UM/3UM;IB=17UAo5.2电路指标验证5.2.1输出电流随输入电流变化的情况验证输入：cascode_current_mirror_06.sp关键语句：.DC IIN 5UA 100UA 1UA .PRINT DC I(IIN) I(RL)验证输出：A.总的I(RL)与I(IIN)的关系图：TitleCm-rent X=5. 00e-0U6Current Y=5.20e_006Derivative=l. 02e+000I -1NOUTIINX100% =(0.2/5)*100%=4%(注：此时的RL=45.2K，输出节点电压较高)C.1 =50UA处局部放大I -1NOUTIINX

29、100% =(0.01/50)*100%=0.02%D In =100UA处局部放大IN综上所述：设计指标(1)在4%最坏的情况下得到满足，同时设计指标(3)也得到了满足。5.2.2输出端工作电压(设计指标(2)验证)“5.1”部分的仿真已经明确：voutmin 0.5V(条件：I = 5uA 100uA)，即设计指标(2)已经得到满足。5.2.3输入端工作电压验证输入：cascode_current_mirror_07.sp关键语句：.DC IIN 5UA 100UA 1UA.PRINT DC I(IIN) V(1)验证输出：验证输出：从上到下依次为：IIN幅频特性；IOUT幅频特性；IIN

30、相频特性；IOUT相频特性。（横坐标单位 MEGHZ）5.2.5输入端小信号电阻、输出端小信号电阻( IIN=DC 50UA,RL=45.2KOHM ) 验证输入：cascode_current_mirror_09.sp关键语句：IIN VD 1 DC 50UA.TF I(RL) IIN验证输出：cascode_current_mirror_09.lis，其中可见内容如下:r. i MHdJlt4.2 W4.3确定4.4确定4.5确定4.W验证 1=177*small-signal transfer characteristicsi(rl)/iininput resistance atiino

31、utput resistance at i(rl)1999.8972m 1.8029k 92-5971X小信号电流增益才=0.9998972 1 ；输入小信号电阻r = 1.8029kQ ；小信号输出电阻 in、=92.5971MEGQ,这里要注意小信号电阻和直流电阻的区别，由此可见该电路的小信号输入电阻很小；而小信号输出电阻很大，这是该电路的优点之一。到此为止，设计变量已经基本可以确定为：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;IB=17UAo注：对不起！以下内容下次再补充！ ！六.版图设计6.1编辑原理图6.2生成和原理图对应的网表6.3编辑版图6.4 DRC检查6.5 ERC检查6.6LVS检查6.7版图寄生参数提取6.8后仿真6.9TAPEOUT七.讨论&结论参考文献【1】器件模型与PSPICE电路仿真【2】AVANTStar-Hspice Manual【3】UC BerkeleyBSIM3V3.3 Mamual