設(shè)計(jì)共源共柵電流鏡

1、模才cmos實(shí)驗(yàn)報(bào)告12設(shè)計(jì)共源共柵電流鏡1、課程設(shè)計(jì)的目的熟悉軟件使用，了解CadenceHspice等軟件的設(shè)計(jì)過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路版圖實(shí)現(xiàn)所給要求。2、課程設(shè)計(jì)題目及要求2、1課程設(shè)計(jì)題目：低輸出電壓高輸出電阻的電流鏡設(shè)計(jì)。2、2課程設(shè)計(jì)要求：1、電流比1:1。2、輸出電壓最小值0.5V。3、輸出電流變化范圍5100UA3、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容3、1確定電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其中：每個(gè)MOSFET的襯底都接地，(W/L)1=(W/L)2;(W/L)3=(W/L)4.通過大信號直流工作點(diǎn)分析和小信號等效電路分析(對不起，這部分分析是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，希望大家看相關(guān)的資料，這里就

2、不詳細(xì)展開了。)，可以知道該電路的特點(diǎn)如下:1 .小信號輸入電阻低(1/gm1)2 .輸入端工作電壓低(VT1+AVmax=V+2Iinma')MAXT1iKF(W/L)13 .小信號輸出電阻高(r°ut=%211,(gm3gmb3)rds3+rds3)4 .輸出端最小工作電壓低(2AVmax(V4=Vt3+2AVmax)3、2設(shè)計(jì)變量初始估算3、2、1確定(W/L)1、(W/L)2為了計(jì)算設(shè)計(jì)變量，我們有必要了解電路MOSFET的工作狀態(tài)，為了使輸出端最小工作電壓小于0.5V,令：MN3管工作于臨界飽和區(qū)(即：VOutMIn=VG3-Vt3=0.5V),而MN1、MN2管隨

3、著輸入電流lin從5UA變到100UA的過程中先工作在過飽和區(qū)最終工作在臨界飽和區(qū)，同時(shí)令：當(dāng)MN1、MN2工作在臨界飽和區(qū)時(shí)VDS1=VDS2="mn=0.25V。為了2使MN1、MN2工作在飽和區(qū)，則必須：(以MN2為例計(jì)算)Vds2-Vgs2-Vt221INMAXVOUTMINVDS2二KP2(W/L)22二(W/ L)2 一21 inmaxKPn(Voutmin2)22 100 10"A123,0 10*A/V2 0.252V226,為了后面HSPICE仿真時(shí)能夠深刻地體會(huì)到調(diào)整W/L的必要性，這里?。?W/L)1=(W/L)2=27。3、2、2確定(W/L)3、(

4、W/L)4從MN3管Vgs3的角度來考慮問題，當(dāng)Iin=100UA時(shí)，為了使MN2管工作在臨界飽和區(qū)，Vgs3的電壓降不可以過大，即:VGS3- VG3Voutmin2又MN3管工作于臨界飽和區(qū)，則:二VGS3-VD3VT3Voutmin22IINMAXKP3(W/L)3-VOUTMINVT3-VOUTMIN2-21INMAX.VOUTMINKP3(W/L)3(W/L)3.217AxVOUTMIN2kpn(2)210010-6A,322226123.010A/V0.25V為了后面HSPICE仿真時(shí)能夠深刻地體會(huì)到調(diào)整W/L的必要性，這里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。3、2、3確定(W

5、/L)B為了節(jié)省面積，和設(shè)計(jì)的方便，取(W/L)B=13、2、4確定舊在確定舊前要先計(jì)算33,根據(jù)襯偏效應(yīng)可以得到VT3=VTN0、",2陣|+VSBJ2怫|)=0.643W+0.63V1/2(j0.83V+0.25V30.83/)口0.72V因?yàn)镸N3工作在臨界飽和區(qū)，所以:Vg3-Vd3Vt3又MNB管工作于MOS二極管狀態(tài)：21bVG3=VDSB=VGSB=VTBKPb(W/L)b12=IB=2(VG3-Vtb)2KPb(W/L)b12=IB=2(VD3Vt3-Vtb)2KPb(W/L)b12=IB=2(VoutminVt3-Vtno)2KPn(W/L)b_2_62=IB=0.

6、5(0.5V0.72V-0.6431V)123.010A/V120UA3、2、5確定溝道長度L對溝道長度的約束有:1.routroutLrds2rds3(g1111m3gmb3)=gm3。)=.、2行3日"12IOUT3IOUT2IOUT3IOUT272|*fI+Vsb一定的Iout下，要使out較大，則上要取較小的值，即L要取較大的值。2 .短溝效應(yīng)，要求L取較大的值。3 .溝道調(diào)制效應(yīng)，要求L取較大的值。4 .匹配性，要求L取較大的值。5 .可生產(chǎn)性，要求L取較規(guī)整的值。6 .寄生性，要求L取較小的值。7 .最小的版圖面積，要求L取的較小的值。8 .工業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)要求：L>=

7、5倍的特征尺寸。綜上所述，版圖設(shè)計(jì)中取L=3uM3、2、6驗(yàn)證直流工作點(diǎn)1. MNB:二極管連接確保它工作于飽和區(qū)。2. MN3:工作于臨界飽和工作區(qū)。3. MN1、MN2:當(dāng)Iin=100uA,它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)Iin減小時(shí)，Vgsi、2減小且Vdsi、2增大，使它們工作在過飽和區(qū)。4. MN4:要使MN4管工作于飽和區(qū)，則：Vds4Vgs4-VT4UVd4Vg4-Vt4=Vgs1，VOUTMIN,VT3-VT4仁VT1+&VVOUTMIN而Vt1=0.6431V,VOutMIN=0.5V，顯然上式成立。即MN4工作于飽和區(qū)。3、3HSPICE仿真驗(yàn)證3、3、1旨在調(diào)整設(shè)計(jì)變量

8、的仿真：1、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)命名：其中：每個(gè)MOSFET的襯底都接地，(W/L)1=(W/L)2;(W/L)3=(W/L)4.2、按初始估算設(shè)計(jì)變量仿真采用初始估算的設(shè)計(jì)變量，即：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;舊=20UA,同時(shí)調(diào)整RL=44.7KOHM,使MN3進(jìn)入臨界飽和。仿真輸入：該電路的HSPICE仿真網(wǎng)表文件為：cascode_current_mirror_01.sp,文本如下:enhancedminmumoutputvoltagecascodecurrent_mirror*fileheader*file_na

9、me:cascode_current_mirror_01.sp*author:wangqq10548377*date:Oct.16,2006*log:none*version:1.0,Oct.16,2006*endfileheader*library*.include"D:e0exerciseanalog_cmos_ic_designB00libhua05.sp"*end_library*netlist*MN121GNDGNDNMOSL=3UW=81UMN231GNDGNDNMOSL=3UW=81UMN3543GNDNMOSL=3UW=81UMN4142GNDNMOSL=3

10、UW=81UMNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3URLVD544.7K*endnetlist*source*VDDVDGNDDC5VIBVD4DC20UAIINVD1DC100UA*endsource*analysis*.OP.TEMP27*end_analysis*print*.PRINTDCI(RL).PROBE*end_print*.END仿真輸出：靜態(tài)工作點(diǎn)分析的結(jié)果在cascode_current_mirror_01.lis文件中，其中可以看到如下的內(nèi)容:subcktelementu：mnin：on2modelQznmosU：nR05O:nmsBznrns0:nrasregi

11、onSaturatlSaturatiSaturatiSaturati Saturatiid1皿皿眄10O.OO0u2Q.0000Uibsfl.-9.9997F-9fi995BFh-N-M-M-KICM；*«« flperaciing point15allsimatign tine isnode-uoltage-wnltage-unltgp*匕U：2II： 5274.7B62n B:3Dzurl92ia.3532n1.29692?1 Ji sig um5 B OllU H可見MN14管都工作在飽和區(qū)，可是輸出端(5節(jié)點(diǎn))電壓約為0.535V超過指標(biāo)要求，因此需要進(jìn)一步更為重要

12、的調(diào)整和仿真。3、調(diào)整設(shè)計(jì)變量仿真1 .調(diào)整步驟一：根據(jù)VOUTMIN=VG3VT3=VTB"-(w/L)VT3，要減小VOUTMIN,可以減小IB或增大(W/L)b,為了版圖設(shè)計(jì)的方便，保持(W/L)b初始估算的值，而把Ib調(diào)小到17UA。這時(shí)，(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;IB=17UA,同時(shí)調(diào)整RL=45.2KOHM,使MN3進(jìn)入臨界飽和。仿真輸入：該電路的HSPICE仿真網(wǎng)表文件為：cascode_current_mirror_02.sp,文本如下：enhancedminmumoutputvoltage

13、cascodecurrent_mirror*fileheader*file_name:cascode_current_mirror_02.sp*author:wangqq10548377*date:Oct.16,2006*log:none*version:1.0,Oct.16,2006*endfileheader*library*.include"D:e0exerciseanalog_cmos_ic_designB00libhua05.sp"*end_library*口65$1*MN121GNDGNDMN231GNDGNDMN3543 GNDMN4142 GNDMNB44G

14、NDGNDRLVD545.2KNMOSNMOSNMOSNMOSNMOSL=3U W=81UL=3U W=81UL=3U W=81UL=3U W=81UL=3U W=3U*endnetlist*source*VDDVDGNDDC5VIBVD4DC17UAIINVD1DC100UA*endsource*analysis*.OP.TEMP27*end_analysis*print*.PRINTDCI(RL).PROBE*end_print*.END仿真輸出：靜態(tài)工作點(diǎn)分析的結(jié)果在cascode_current_mirror_02.lis文件中，其中可以看到如下的內(nèi)容:node=uoltaigeno

15、die=voltagenud?1=922.823100：2=23 ei. 5312m0；3=232 081m4=1.2250：5=皿1.2539田O;vd=5.GOOD* Ufjorating pointis all Simlation time is DsubcktO：nnl0; mi 20:rm3Di：mn0:mnbmodel8;nmDSOzunasBiiinusQ ；VIIW5DznnusFBijiunLine'drLinearSaturatiSaturatiSaturatiidlaO.QQQOu99.75仙u9m加1O0.0OOflu17.00OOu可見輸出端（5節(jié)點(diǎn)）電壓約為

16、0.491V符合指標(biāo)要求，可是MN1、MN2又退出了飽和區(qū)，因此需要更進(jìn)一步調(diào)整和仿真。2 .調(diào)整步驟二：MN2進(jìn)入飽和區(qū)，應(yīng)該減小根據(jù)MOS管的工作原理可知，要使MN1VgS1、VgS2、VgS3和VgS4，又Vgs=Vt+I，所以應(yīng)該把(W/L)14調(diào)大。當(dāng)11,KP(W/L)(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;舊=17UA,同時(shí)調(diào)整RL=45.2KOHM,使MN3進(jìn)入臨界飽和。仿真輸入：該電路的HSPICE仿真網(wǎng)表文件為：cascode_current_mirror_03.sp,文本如下：enhancedminmumou

17、tputvoltagecascodecurrent_mirror*fileheader*file_name:cascode_current_mirror_03.sp*author:wangqq10548377*date:Oct.16,2006*log:none*version:1.0,Oct.16,2006*endfileheader*library*.include"D:e0exerciseanalog_cmos_ic_designB00libhua05.sp"*end_library*netlist*MN121GNDGNDNMOSL=3UW=93UMN231GNDGND

18、NMOSL=3UW=93UMN3543GNDNMOSL=3UW=93UMN4142GNDNMOSL=3UW=93UMNB44GNDGNDNMOSL=3UW=3URLVD545.2K*endnetlist*source*VDDVDGNDDC5VIBVD4DC17UAIINVD1DC100UA*endsource*analysis*.OP.TEMP27*end_analysis*print*.PRINTDCI(RL).PROBE*end_print*.END仿真輸出：靜態(tài)工作點(diǎn)分析的結(jié)果在cascode_current_mirror_03.lis文件中，其中可以看到如下的內(nèi)容:* nusfE上弓s

19、ubcktelement U：mnlmodel 0：nmasregionSaturatiidiGD.BoaauD；Rn2O：nnos Saturtl 鞏日n0：nn0：nnosSaturatl_n nnnQt0：W1*0:nnosSaturati. lao.oeoou_n ninraacO：Finb 0:nnos dturati IT.OOOOu 而*«* resistorssubckt 也lemenl o；rlr valueU5.2QI3v dropiU_5130currentpokier帖帥 Su青青青* opera tiny point stdtuis is all node

20、=UD<ltage nadlB =uoltagEsinulatinn time is node =voltage*0:1= 03.1716m 0z22U9.186m 恥3UB7. QOSSfii Ozud可見MN卜MN4均工作在飽和區(qū)，輸出電流和輸入電流(100UQ相近，輸出電壓約為0.487V符合指標(biāo)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)變量是否適合，我們把IIN減小到50UA和5UA的再進(jìn)行仿真，只要在cascode_current_mirror_03.sp文件中把*IINVD1DC100UA分別改為：*IINVD1DC50UA和*IINVD1DC5UA，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整RL使MN3剛好進(jìn)入臨界飽和即

21、可。通過仿真可以得到下表的一組數(shù)據(jù)：IIN(A)Rlmax(Q)Voutmin(V)Iout(A)1IN-IOUT父100%1IN100U45.2K487.0058M99.8450U0.2%50U90.7K466.8759M49.9793U0.04%5U914.2K432.0060M4.9967U0.07%注：仿真時(shí)電路中的每個(gè)MOSFETS處于上&和區(qū))總之，設(shè)計(jì)變量調(diào)整到目前為止，該電路的直流大信號靜態(tài)工作點(diǎn)已經(jīng)比較合適。我們可以暫時(shí)確定設(shè)計(jì)變量如下：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;舊=17UA。3、4版圖設(shè)計(jì)(如圖)4、課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)這個(gè)課程設(shè)計(jì)，讓我更加熟悉了電流鏡的相關(guān)知識，對整個(gè)課程設(shè)計(jì)的總體過程有了初步了解，為以后的課程設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，獲得了更多實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。課程設(shè)計(jì)的結(jié)果往往不是最重要的，過程才是我們在做課程設(shè)計(jì)中最寶貴的。希望自己在以后的工作學(xué)習(xí)中能夠開拓思維，繼續(xù)努力。附件：1、硅晶體的一些常數(shù)硅帶隙VG01.205V(300K)波爾茲曼常數(shù)k1.38e-23J/K本征載流子濃度(300K)ni二1.45e10cm真空介電常數(shù)%8.85e-14F/cm硅介電常數(shù)siL11.7%1.0