CMOS電路課設(shè)報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)設(shè)計目的 設(shè)計一個50nA高精度參考電流源（溫度范圍-40125 基準(zhǔn)電流源是指在模擬集成電路中用來作為其他電路的電流基準(zhǔn)的高精度、低溫度系數(shù)的電流源。電流源作為模擬集成電路的關(guān)鍵電路單元，廣泛應(yīng)用于運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器中。偏置電流源的設(shè)計是基于一個已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)參考電流源的復(fù)制，然后輸出給系統(tǒng)的其他模塊。并且，基準(zhǔn)電流源是模擬電路必不可少的基本部件，高性能的模擬電路必須有高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的電流和電壓偏置電路來支撐，它的性能會直接影響到電路的功耗、電源

2、抑制比、開環(huán)增益以及溫度等特性。所以為了確保到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，我們必須引入一種輸出基準(zhǔn)電流高階溫度補償?shù)姆椒ù_保電流源的高精度。設(shè)計內(nèi)容 1、 設(shè)計指標(biāo)： PSRR最大做到-30dB。 溫度系數(shù)最大做到1000ppm/C； 2、MOS管參數(shù)的粗略估計； 3、電阻參數(shù)的估計；設(shè)計器材電腦（裝有虛擬機）、cadence軟件、加入2種庫：s05mixdtssa01v11.scs section=tt -MOSFETs05mixdtssa01v11.scs section=restypical -Resistor電路圖帶啟動電路的基準(zhǔn)電流源設(shè)計原理以及步驟1、分析基準(zhǔn)電流的性能參數(shù)(1) 溫漂

3、系數(shù)基準(zhǔn)電流源的一個重要指標(biāo)是電流基準(zhǔn)在寬溫度范圍下的工作穩(wěn)定程度。溫漂系數(shù)不僅衡量帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓溫度變化的一個性能參數(shù)，也是衡量基準(zhǔn)電流源輸出電流的一個重要參數(shù)。與基準(zhǔn)電壓源的溫漂系數(shù)類似，基準(zhǔn)電流源的溫漂系數(shù)同樣表示輸出基準(zhǔn)電流隨溫度變化的情況，其單位為ppm/C，表示當(dāng)溫度變化1度時，輸出電流變化的百分比。其計算公式為即 我們設(shè)計的50nA的高精度基準(zhǔn)電流源輸出基準(zhǔn)電流一般在-25-140C寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。(2)電源抑制比（PSRR） 通常，基準(zhǔn)電流源作為一個重要作用就是在正常工作電壓范圍內(nèi)，當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，輸出電流基本不變，也就是其電源抑制比比較高。電源抑制比是衡量電路

4、對電源線上噪聲的抑制能力參數(shù)，即，基準(zhǔn)電流源的電源抑制比表現(xiàn)了輸出基準(zhǔn)電流隨電源電壓VDD變化的情況。對于基準(zhǔn)電流源，本設(shè)計的電流抑制比的定義為：從電源電壓VDD到輸出基準(zhǔn)電流的增益。符號表達(dá)式為：(3)功耗 與基準(zhǔn)電壓源類似，基準(zhǔn)電流源中也有功耗的需求。其衡量標(biāo)準(zhǔn)也是電腦在正常工作情況下的靜態(tài)電流的大小。為了滿足各種不同電路的要求，如精度響應(yīng)速度等，通常會增大電路的功耗。2、基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)的確定（1）MOS管工作區(qū)域的確定根據(jù)要求為了得到納安級的輸出基準(zhǔn)電流，設(shè)CMOS管工作在亞閾值區(qū)，如圖1所示。 圖1則亞閾值區(qū)MOS管源漏極電流表達(dá)式 其中，I0為單位飽和電流，是亞閾值斜率因子。如果，那

5、么可以忽略。因所以 因此 ，從而 我們發(fā)現(xiàn)，在亞閾值模型的推算當(dāng)中，輸出電流是被晶體管寛長比的比值和電阻唯一確定的，這說明基于傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電流源的工作原理，工作在亞閾值區(qū)的MOS管是可以用來生成和電源電壓無關(guān)的基準(zhǔn)電流的。和飽和區(qū)工作狀態(tài)下的電流計算公式相比，載流子遷移率已經(jīng)不會影響亞閾值電流了。在亞閾值電流公式中只有電阻RS和VT這兩個與溫度有關(guān)的變量。其中，VT電壓與溫度成正比，而實際工藝中的電阻也有其溫度系數(shù)。也可以通過不同種類的電阻的組合組成具有我們所需要的溫度特性的電阻，如果能夠組成一個與絕對溫度成正比的電阻，則輸出電流TREF就可以保持相當(dāng)好的溫度特性。（2）電路結(jié)構(gòu)的確定為了進(jìn)一步

6、提高基準(zhǔn)電流的PSRR，如圖2所示的三支路結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)電流源。輸出基準(zhǔn)電流源的表達(dá)式為，M5與M6管組成的第三條支路在原來的電流鏡的基礎(chǔ)上添加一個負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3圖4所示。如圖3所示的環(huán)路，存在一個弱的正反饋環(huán)路，當(dāng)電源電壓VDD 升高時，VX 電壓升高時，M2管相當(dāng)于一個共源級，根據(jù)共源級增益為負(fù)來看，VY電壓與VX電壓相反，所以VY電壓降低，同樣，M3管又可以看作是一個共源級，所以M3的漏端電壓升高，即VX電壓升高。這樣，形成了VX VY VX 正反饋環(huán)路，所以整個系統(tǒng)的PSRR較低，輸出的基準(zhǔn)電流隨電源電壓變化較大。 圖2圖3 圖4對于圖1所示的三支路基準(zhǔn)電流源來說，由于多了一條支路，形

7、成了負(fù)反饋，如圖4示。其原理是VDD升高時，X點電壓VY升高，同樣道理，將M2管看作一個共源級，則Y點電壓VY降低，在M3管的作用下，Z點電壓VZ升高，同時又在M6管共源級的作用下，X點電壓降低。這樣。就形成VX VY VZ VX 負(fù)反饋環(huán)路，所以整個系統(tǒng)的PSRR較高，輸出基準(zhǔn)電流隨電源電壓變化較小。3、帶啟動電路基準(zhǔn)電流源的工作原理在實際工作中主電路要工作需要在低電頻的情況下輸入一個高電壓后工作。也就是說是一個跳變的過程。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓從0到5V跳變的過程中主電路并不能如我們所愿使工作電壓升到5V。這是因為電路有兩個工作點，在低電壓時就能滿足一個工作狀態(tài)，所以我們需要跳過這一個工作狀態(tài)，這

8、就需要我們的啟動電路了。 用啟動電路將M0管的漏極電壓升到工作電壓。當(dāng)達(dá)到工作電壓后我們又要使啟動電路關(guān)斷，于是我們設(shè)計了如電路圖中紅色部份的啟動電路。M9管是作為一個開關(guān)用的NMOS管，它的源端接M0的源極，當(dāng)M0電壓低時M9管將導(dǎo)通，這能使M0管電壓升到工作電壓。當(dāng)M0上升到工作電壓后，因為M9的VGS將遠(yuǎn)小于VTH所以M9管關(guān)斷啟動電路停止工作。那么我們又要考慮M9管柵電壓使其足以啟動整個電路又能在啟動后關(guān)斷。我么接M8作為一個電阻，同時M10，M11構(gòu)成一個電流鏡通過調(diào)節(jié)它們兩個的比值使M0工作后M8的電流可以被漏掉，但是要竟可能的使漏電流減小。這樣就不至于使M9管不能關(guān)斷。4、繪制電

9、路圖5、進(jìn)行電路仿真電路仿真結(jié)果（一）、50nA高精度基準(zhǔn)電流源的電路仿真結(jié)果：1、不同corner各個管子的工作區(qū)域以及PPM值cornerttsssffsffRegionM033333M133333M233333M322222M422222M522222PPM419.7440.4421.2442.1464.3（3為亞閾值區(qū)，2為飽和區(qū)，1為線性區(qū)）2、不同corner仿真出來的圖（1）、Corner：tt（2）、Corner：ss（3）Corner：sf（4）、Corner：fs（5）、Corner：ff（二）、帶啟動電路基準(zhǔn)電流源的電路仿真結(jié)果：仿真設(shè)置1、Corner：tt2、Corn

10、er：ss3、Corner：sf4、Corner：fs5、Corner：ff七、個人總結(jié)在本設(shè)計中，設(shè)計了一個工作在亞閾值區(qū)的基準(zhǔn)電流源，最初的計算只能估計各個MOS管的工作電壓，在仿真過程中，需要根據(jù)實際仿真模型不斷進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的特性。在實際的工程設(shè)計中，可能犧牲一些特性以達(dá)到特殊的目的，比如犧牲功耗，利用復(fù)雜電路以達(dá)到低溫度系數(shù)的目的等。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的不同，參數(shù)的仿真設(shè)計也會不盡相同。在這幾周是設(shè)計中發(fā)現(xiàn)了自己很多的不足，比如對電流鏡的分析不夠透徹、對啟動電路的理解不夠等等，一些理論知識還有待加深理解。附錄：器件的參數(shù)MOS管InstanceName ModelW/mL/mMultiplierM0mn3u15u2M1mn3u15u1M2mn1u5u