精密电流源毕业设计

1、本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目： 精密电流源姓 名： 学 院： 系： 专 业： 年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称：高级工程师指导教师（校外）： 职称：2011年 5月31 日26精密电流源摘要：本文介绍了带隙基准电流源的原理以及电流源的设计。首先通过带隙基准理论的研究对带隙电源的基本原理有一定的了解，再确定电流源设计的基本结构，然后设计电路的细节，最后初步设定了所要达到的指标，本文的设计两个正负温度系数相加使得温度系数在某一温度下为0，从而达到良好的温度系数。关键词： 电流镜 带隙基准 温度系数 pspice仿真precision current sourceabstra

2、ct:this paper introduces how to design bandgap benchmark current source. first through studying the bandgap benchmark theory we have certain knowledge of the basic principle of bandgap power , then we design the basic structure of current source , and design the details of circuit , last we set the

3、parameters to reach index. this design use two current sources and them respectively have positive and negative temperature coefficient .we makes them combine and its temperature coefficient is 0, to achieve good temperature coefficient.keywords:current mirror bandgap benchmark temperature coefficie

4、nt pspice simulation目录第一章 引言51.1 研究背景与目的51.2 主要工作51.3 论文结构5第2章 电流镜2.1 概述62.2 电流镜的基本结构6第三章 带隙电流源的基本原理73.1 概述73.2 与电源无关的偏置73.3 与温度无关的基准93.3.1 负温度系数电压的产生93.3.2 正温度系数电压的产生103.4 带隙基准113.5 ptat电流的产生13第四章 精密电流源的设计144.1 设计方案与指标144.2 与电源无关的偏置154.3 基准电流的设计154.4 精密电流源的实现164.5 其他类型的电流源18第五章 电路的仿真与分析205.1 hspice

5、简介205.2 电路的仿真与分析215.3 仿真性能汇总23 第六章 结论总结24致谢语25参考文献第一章 引言1.1 研究背景与目的基准电流源是模拟集成电路中用来作为其他电路的电流基准的高精度、低温度系数的电流源，电流源作为模拟集成电路的关键电路单元，广泛应用于运算放大器、d/a转换器、a/d转换器中。偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准参考电流源的复制。 基准电流源是模拟电路所必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须具有高质量、高稳定性的电流和电压偏置电路来支撑，它的性能会直接影响电路的功耗、电源抑制比以及温度等特性。如何设计一个低温漂、高电源抑制比的基准电流源是模拟电路设计者所关心的

6、课题之一。本论文目的在于介绍一种高精度、低温漂的带隙基准电流源，首先对电流镜、带隙基准的原理进行了系统的的分析和总结，对此电流源有个深入的了解，初步了解基准电流源的设计方法和过程，在设计过程中，进一步掌握必要的知识及熟练使用仿真软件的能力。1.2 主要工作本文从电流镜，带隙基准的基本知识和原理讲起，期间我查阅了很多相关的书籍和论文等资料，在对原理有了比较清晰地了解后，我开始了带隙基准电流源的设计，我在导师的帮助下，不断地改进设计，尽量使自己的设计能够满足要求。再对已设计的电路进行hspice仿真，在学长的帮助下使电路的参数更加完善，也使我对电路设计的方法和性能测试进一步掌握，最终得出较为满意的

7、设计指标。1.3 论文结构本文主要设计了一种简单带隙基准电流源，论文安排如下：第二章：介绍电流镜的基本原理。第三章：介绍带隙基准的基本原理第四章：介绍带隙基准电流源的电路设计思路和方法。第五章：运用hspice软件对设计电路进行仿真。第六章：给出总结。第二章 电流镜的基本原理2.1 概述电流镜(cm)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路，能减少电压变化和温度变化带来的误差，其性能对整个电路乃至系统的性能都有重要的影响。为了适应各种电路及系统性能的要求，不同的电路需要使用不同结构的电流镜，如放大器、比较器、自校准电流源等使用结构

8、简单的电流镜，而转换器等要求高性能电流镜。输出阻抗和电流匹配精度是决定电流镜性能最重要的参数。 2.2 电流镜的基本结构 模拟集成电路中电流源设计的基本思路是从一个参考电流源“复制”电流。下面介绍电流复制的基本原理。 对于一个场效应管，在忽略沟道调制效应的前提下（即），根据饱和萨氏方程id=gmvgs=k(vgs-vth)2,可知饱和的mos管漏极电流在器件的尺寸（w/l）与工艺（un，vth）确定的条件下只与其栅源电压有关，所以只要是相同的工艺参数制作的两个相同的mos器件具有相同的栅源电压，并且都在饱和区，则其漏极电流完全相等，即实现了所谓的电流复制。但由于实际电路存在沟道调制效应，此时饱

9、和mos管的其漏极电流 图2.1为id=gmvgs=k(vgs-vth)2(1+vds)，所以饱和漏极电流不仅是vgs的函数，而且是其漏极电压vds的函数。即具有相同的栅极电压，但存在沟道调制效应时，漏极电压vds若不相等，则其电流也不会相同。 基于以上思路，所设计的基本电流镜的结构如图2.1所示。 上图中m1与m2构成的电路结构称为“电流镜”，ir为参考电流，i0为输出电流，且由于，所以m1工作于饱和区，假设m2的，则也m2工作在饱和区，根据饱和萨氏方程，在考虑沟道调制效应时有： （2.1）从上,2.1可以看出：假如已有ir，只要改变m1与m2的宽长比，就可设计出io，它即可以与ir相等，也

10、可与ir成一比例关系，所以也称为比例电流镜，这种技术在模拟集成电路中有着广泛的应用，比如作为放大器的负载。但是由于存在沟道调制效应，且vds2是一变量，因此io实际上不是一个恒流源。 如何改善io的恒流特性以实现真正意义上的电流源，从式2.1可以看到原则上有两种方法： 减小以至消除m2的沟道调制效应（因为vds1vgs1为定值，故m1不影响io的恒流特性），即通过增大m2的沟道长度，以减小，增大输出阻抗，从而改善恒流特性。设定vds2vds1，则可知io与ir只与m1、m2的宽长比相关，从而得到具有很好的恒流特性的电流源。第三章 带隙电流源的基本原理3.1 概述模拟电路广泛地包含电压基准和电流

11、基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。例如一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为它会影响到电路的电压增益和噪声。产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：1.与绝对温度成正比（ptat）2常数gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；3. 与温度无关。 因此，我们可以将任务分为两个设计问题：与电源无关的偏置和温度变化关系的确定。3.2 与电源无关的偏置我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流。如图3.1所示，如果iref不随v

12、dd变化，并前忽略m2、m3的沟道长度调制效应，那么id2和id3就保持与电源电压无关。所以问题是:我们如何产生iref呢？图3.1电流镜偏置使用作为一个近似的电流源，我们将电阻接在vdd和m1的栅极之间，如图所示。但是，这种电路的输出电流对vdd很敏感： 为了得到一个对vdd不敏感的解决方法，我们假设电路必须由自己偏置，即iref必须通过某种方式由iout得到。这种思想是如果iout最终与vdd无关，那么iref就可以是iout的一个复制。图3.1是一个电路实现，m3和m4复制了iout 。从而确定了iref。从本质上讲，iref被“自举“到iout。选择一定的mos管尺寸，如果忽略沟道长度

13、调制效应，我们有ioutt=kiref。请注意，因为每个二极管方式连接的器件都是由电流源驱动的，所以相对来说，iref和iout与vdd无关。但是电流仍旧是工艺和温度的函数。为了唯一确定电流值，我们对电路加入另一个约束，如图3.1所示的。图中，因为pmos器件具有相同的尺寸，虽然要求iout=iref,但是电阻rs减小了m2的电流。可以写出vgs1=vgs2+id2rs，或图3.2（a）确定电流而增加rs （b）消除体效应的替代电路忽略体效应我们有：因此：正如所希望的，电流与电源电压无关（但仍旧是工艺和温度的函数）。因为m1和m2的源极位于不同的电位，所以在前面计算中假设vth1=vth2会产

14、生一些误差。如图3.2，一种简单的修补方案是在m3的源极引入一个电阻，同时通过将每个pmos晶体管源极和衬底相连来消除体效应。如果沟道长度调制可以忽略，总电路表现出很小的电源依赖性。正是由于这个原因，此电路中的所有晶体管均采用相对较长的沟道。3.3 与温度无关的基准与温度关系很小的电压或电流基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。带隙基准电压的基本原理是将两个拥有相反温度系数（temperature coeffiicient）的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。例如，电压v+拥有正

15、温度系数，电压v-具有负温度系数，存在合适的权重和满足这样就得到了具有零温度系数的基准电压，基准电压的表达式：现在我们必须认识到具有正温度系数和负温度系数的两种电压。在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数、严格定义的量。尽管mos器件的许多参数已被考虑用于基准产生，但是双极电路还是形成了这类电路的核心。3.3.1 负温度系数电压的产生双极晶体管的基极发射极电压（vbe）或更一般的说，pn结二极管的正向电压，具有负温度系数。根据其物理特性，结电压vbe与温度的关系为：上式中跟三极管的结构有关，它的值大约为4。是跟流过三极

16、管的电流特性有关的一个量，当其电流为iptat电流时为1；当其电流为与温度无关的电流时为0。t0为参考温度，vbg为硅的带隙外推电压（跟材料本身性质有关）。由上式可以看出vbe是一个具有负温度系数的电压。3.3.2 正温度系数电压的产生2个三极管工作在不同的电流密度下，它们的基极-发射极电压的差值与对温度成正比。图3.3如图3.3所示，如果两个同样的三极管（is1=is2），偏置的集电极电流分别为ni0和i0并忽略它们的基极电流，那么：这样，vbe的差值就表现出正温度系数，有趣的是，这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。类似地，两个集电极偏置电流相同，但是发射结面积不一样的三极管也能产生一

17、个正温度系数的项。3.4 带隙基准利用上面得到的正、负温度系数的电压，我们现在可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准。我们有：这里vtinn是两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极-发射极电压的差值。在室温下：vbe/t-1.5mv/kvt/t+0.087mv/k所以我们可以令=1，选择使得：也就是，17.2,表明零温度系数的基准为现在我们来设计一个完成vbe和17.2vt相加的电路。首先，考虑如图2-4所示的电路，这里假设基极电流可以忽略，晶体管q2是由n个并列的晶体管单元组成，而q1是一个晶体管单元。假设我们用某种方法强制vo1和vo2相等，那么vbe1=ri+vbe2,即ri=vb

18、e1-vbe2=vt 。所以，v02=vbe2+vt ,这意味着:如果17.2，vo2就可以作为与温度无关的基准（当vo1和vo2保持相等时）。 图3.4 图3.5图3.4的电路需要作两处的修改，才能成为实用的电路。首先，必须加入一种电路以保证vo1=vo2。其次，由于=17.2,结果使得n值过大，需要通过按适当的比例增大ri=vt 项。如图3.5所示的是一个可以完成上述两个功能的实际电路。这里放大器a1以vx和vy为输入，驱动r1和r2(r1=r2)的上端，使得x点和y点稳定在近似相等的电压。基准电压可以在放大器的输出端得到（而不是y点）。根据对图3.4的分析，我们有vbe1-vbe2=vt

19、 ,得到流过右边支路的电流为vtinn/r3,因此输出电压为 为了得到零温度系数，必须使。例如，我们可以选择n=31，r2/r3=4。注意，这个结果与电阻的温度系数无关。3.5 ptat电流的产生在带隙电路的分析中，我们注意到双极晶体管的偏置电流实际上是与绝对温度成正比（ptat:proportional to absolute temperature）的。pata电流在许多应用中是很有效的，它可以通过如图3.6所示电路产生。它也可以用另一种方法产生，我们可以将与电源无关的偏置电路和双极性晶体管结合，得到如图3.7的电路。为了简单起见，假设m1m2和m3m4均为相同的对管，我们注意到：要使id

20、1=id2,电路必须保证vx=vy。所以id1=id2=（vtinn）/r1,结果，使id5产生同样的特性。在实际应用中，由于晶体管之间的不匹配，以及更重要的是由于r1的温度系数，id5的变化会偏离理想的等式。图3.6图3-7的电路也可以很容易地改为产生带隙基准电压的电路。如图3-8所示，其思想是将ptat电压id5r2加到基极-发射极电压上。因此输出电压等于 图3.7 图3.8 这里假设所有的pmos管都是相同的。第四章 精密电流源的设计4.1 设计方案与指标 1.结构的确定 本文电流源采用正负温度系数的电压设计出令人满意的零温度系数。带隙基准主要由两部分组成，一部分是负温度系数，一般由双极

21、性三极管的vbe构成，一部分是正温度系数由热电压vt构成，然后把两个结合起来实现某一温度下的零温度系数的基准电压源。本次设计的目标：特性条件指标最低电源电压4v最低静态功耗vdd=5v10mw温度系数10ppm/k电源抑制比5v左右1ua/v2. 整体电路如图4.2图4.24.2 与电源无关的偏置 如图4.3所示， 图4.3 在上文第三章3.2中有提到,是总电路的产生于电源无关的电流的电路。i2 复制了i1, i2=4i1，i1和i2是与vdd无关的电流。但注意设计参数时要使mos管工作处于饱和状态下。4.3 基准电流的设计基准电流的设计如图4.4所示其中，i1，i2与电源无关r1r2设计时可

22、比较大，这样流过r1r2的电流相对于i1而言太小，可忽略不计 则，i2r3+vbe2=vbe1（1+r1/r2） 图4.4 则，i2r3+vbe2=vbe1（1+r1/r2） 其中，vbe1-vbe2=vtlnn 下面来看带隙输出的温度特性：上式中右边括号内第一项温度系数为正，第二项温度系数为负。这意味在某个温度点上正、负温度系数的绝对值相等时，那么在该温度点为零温漂。实际上就是通过设计三极管发射结的面积相等,且i2=4i1以及r1和r2的比值这两个“参数”来实现在某个温度上的零温漂。假设我们要将零温漂点设计在室温，室温下一个pn结的温度系数为-1.5mv/oc，所以我们只要设计上式子右边第二

23、项对温度的导数为1.5mv/oc即可。即根据式子 来选取合适的比值r2/r1和参数n。其中，n=4，ln4=1.386。我们设定r2/r1约为12.5。4.5精密电流源的实现1.启动电路图4-6启动电路可以避免电路在电源上电时处于“零状态”，保证电路正常启动工作。启动电路先给带隙部分注入一股电流，这样就可以使得带隙摆脱“零状态”，当带隙启动工作后，启动电路就和带隙电路脱离，即不再注入电流，避免影响带隙的偏置电流，于是图中pmos管子p2将先导通一段时间后再关断。 p2源极为电源vdd ，p2的栅极电位开始上升得慢，但是后来上升得比p2的源极（vdd）要快，最终导致p2的栅源电压小于阈值电压，于

24、是p2随后就关闭了，与后面的带隙电路断开，不再注入电流。2. 总电路： 图4.7总电路参数汇总器件参数器件参数r11kq2npn m=4r2125km1w=150u l=12u r3150m2w=150u l=12u q1npnm2w=150u l=12u 4.5其他类型的电流源4.5.1 正负温度系数电流相加的电流源如图4.8所示iout = iptat + iptvbe，其中iptat 具有正温度特性, iptvbe 具有负温度系数。 图4.84.5.2 电压源转变成的电流源先设计一个电压源：图4.9得到电压：如图4.10，再转换成电流源：图4.10 得到电流：i =vref / r1 这

25、两种电流源都比较复杂，但都实现了某一温度下的零温漂。 第五章 基于hspice的电路仿真与分析5.1 hspice简介电路通过hspice是eda软件中的重要组成部分，它的主要任务是对模拟电子电路进行模拟和仿真。它主要应用在电路级仿真，分析，还可用来辅助电路参数，得到功率，延时等信息。hspice是一个模拟电路仿真软件，在给定电路结构和元器件参数的条件下，它可以模拟和计算电路的各种性能。用hspice分析一个电路的步骤有：（1） 给定电路的结构（也就是电路连接关系）和元器件参数（指定元器件的参数库）；（2） 确定分析电路特性所需的分析内容和分析类型（也就是加入激励源和设置分析类型）；（3） 定

26、义电路的输出信息和变量。hspice规定了一系列输入，输出语句，用这些语句对电路仿真的标题，电路连接方式，组成电路元器件的名称，参数，模型，以及分析类型，以及输出变量等进行描述。5.2 电路的仿真与分析利用hspice仿真工具对第四章设计的电路进行仿真。 温漂特性这里对温度变量temp进行直流扫描，观察在温度变化（其他参数不变）的情况下的波形，使得带隙输出变化尽量小。温度从-20到100扫描，电源电压为5v，基准电流源的输出先增大后减小，当温度约为23时输出最大电流，约为651.964ua，此时输出的正温度系数的电压等于负温度系数的电压。仿真波形如下：图5.1取工作的温度范围为-20-80,在

27、这个范围内，基准电压的输出变化仅为0.3ua，变化率约为0.05%。温漂系数 直流仿真这里是对电压源vcc进行直流扫描，观察在电压源发生变化（其他参数不变）的情况下的波形，使得带隙输出变化尽量小，显示带隙基准电压的输出跟电源无关的特性。如图5.2，电源电压从3v-8v间进行扫描，当电压为4v时，输出稳定的基准电流，此时，基准电流约为650ua。图5.2我们对电源电压从4.2v-8v进行扫描，观察输出的变化，仿真波形如图5-5所示。图5.3从图中可以看到，当电源电压在一定范围内变化时，基准电压的输出较为稳定，增幅几乎没有。直流电压的抑制比0如图5.4所示，是电源电压在4.2v-5v之间变化时，电

28、路总的输出电流的曲线。图5.4图中可以看出电流变化微小，我们取电压为4.3v,此时总电流为1.3039ma，由此我们得到电路总功耗为：5.3仿真性能汇总特性条件指标仿真值最低电源电压4v4v最低静态功耗vcc=5v10mw5.6mw温度系数10ppm/k4.74 ppm/k直流电源抑制比（电源电压调整率）vcc=4.3-6v1ua/v0ua/v表3仿真性能汇总 第六章 论文总结 本文采用设计仿真了一种简单的带隙基准电压源。主要的工作是先进行带隙基准的理论研究，在理论研究充分的基础上，开始了带隙基准电流源的设计。设计过程中结合hspice仿真，在仿真中发现问题，在设计中改正问题，通过仿真和设计改正的相结合，使我的设计达到了预设的指标。本次电流源的设计，具有稳定性好，温度系数低的特点。带隙基准源在各种模拟和数字系统中的使用非常广泛。模拟集成电路的发展对带隙基准电压源的要求越来越高，带隙基准电压源的性能要求越来越高，随着数据转换电路的分辨率的提高，特别需要高温度稳定性的带隙基准源。通过本次毕业设计，我对模拟电路的知识有了更深的了解，复习了大二电子线路