设计共源共栅电流镜.docx

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设计共源共栅电流镜

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5～100UA

3、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。

），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=1

3、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、3HSPICE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：

enhancedminmumoutputvoltagecascodecurrent_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___exercise\analog_cmos_ic_design\B00___lib\hua05.sp"

**********************end_library****************************

**********************netlist********************************

MN121GNDGNDNMOSL=3UW=81U

MN231GNDGNDNMOSL=3UW=81U

MN3543GNDNMOSL=3UW=81U

MN4142GNDNMOSL=3UW=81U

MNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3U

RLVD544.7K

**********************end_netlist****************************

**********************source*********************************

VDDVDGNDDC5V

IBVD4DC20UA

IINVD1DC100UA

**********************end_source*****************************

**********************analysis*******************************

.OP

.TEMP27

**********************end_analysis***************************

**********************print**********************************

.PRINTDCI（RL）

.PROBE

**********************end_print******************************

.END

仿真输出：

静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_01.lis文件中，其中可以看到如下的内容：

可见MN1～4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：

enhancedminmumoutputvoltagecascodecurrent_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___exercise\analog_cmos_ic_design\B00___lib\hua05.sp"

**********************end_library****************************

**********************netlist********************************

MN121GNDGNDNMOSL=3UW=81U

MN231GNDGNDNMOSL=3UW=81U

MN3543GNDNMOSL=3UW=81U

MN4142GNDNMOSL=3UW=81U

MNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3U

RLVD545.2K

**********************end_netlist****************************

**********************source*********************************

VDDVDGNDDC5V

IBVD4DC17UA

IINVD1DC100UA

**********************end_source*****************************

**********************analysis*******************************

.OP

.TEMP27

**********************end_analysis***************************

**********************print**********************************

.PRINTDCI（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）1~4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：

enhancedminmumoutputvoltagecascodecurrent_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___exercise\analog_cmos_ic_design\B00___lib\hua05.sp"

**********************end_library****************************

**********************netlist********************************

MN121GNDGNDNMOSL=3UW=93U

MN231GNDGNDNMOSL=3UW=93U

MN3543GNDNMOSL=3UW=93U

MN4142GNDNMOSL=3UW=93U

MNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3U

RLVD545.2K

**********************end_netlist****************************

**********************source*********************************

VDDVDGNDDC5V

IBVD4DC17UA

IINVD1DC100UA

**********************end_source*****************************

**********************analysis*******************************

.OP

.TEMP27

**********************end_analysis***************************

**********************print**********************************

.PRINTDCI（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MN1～MN4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*IINVD1DC100UA分别改为：

*IINVD1DC50UA和*IINVD1DC5UA，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）

100U

45.2K

487.0058M

99.8450U

0.2%

50U

90.7K

466.8759M

49.9793U

0.04%

5U

914.2K

432.0060M

4.9967U

0.07%

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）

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-19C

2、制造工艺

0.5umCOMSN_WELL3metal1poly

3、SPICELEVEL1COMS体工艺模型参数

MOSFET

N_channel

P_channel

阈值电压

0.6431V

-0.6614V

本征导电因子（跨导参数）KP

123e-6

37.9e-6

体效应因子

0.63

0.67

强反型层表面势垒

（@300K）

0.83V

0.84V

【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BSIM3V3MOS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

，

，

MOSFET

N_channel

P_channel

0.6431V

-0.6614V

迁移率

0．03866

0．0117

栅氧化层厚度

1.1e-008

1.08e-008

沟道掺杂浓度

1.2-6e+017

1.4032e+017

沟道调制系数

1.8343955

2.1465001

4、电源工作电压

MIN：

4.5V；TYP：

5.0V；MAX：

5.5V

5、工作温度

MIN：

0

；TYP：

27

；MAX：

100

参考文献

【1】《器件模型与PSPICE电路仿真》

【2】AVANT《Star-HspiceManual》

【3】UCBerkeley《BSIM3V3.3Mamual》