50nA高精确基准电流源要点

1、福州大学至诚学院模拟集成电路课程设计设计报告设计题目：50nA高精度基准电流源设计组 另I：第五组姓 名：陈长毅学 号：210991804同组姓名： 许金喜( 210991842)系 另I：至诚学院信息工程系专 业：微电子学年 级：2009级指导老师：屈艾文实验时间：第二周一一第九周一、设计目的设计一个50nA高精度参考电流源(温度范围-40C125C)。基准电流源是指在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、A/D转换器、D/A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，然

2、后输出给系统的其他模块。并且，基准电流源是模 拟电路必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须有高质量、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到电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度等特性。所以为了确保到整个系统的精度和稳定性， 我们必须引入 一种输出基准电流高阶温度补偿的方法确保电流源的高精度。二、设计内容1、设计指标：PSRR最大做至ij -30dB。温度系数最大做到1000ppm/C带启动电路的高精度 基准电流源2、MOS管参数的粗略估计；3、电阻参数的估计；三、设计原理和步骤1、LDO中基准电流源的性能指标(1)低电流：LDO由于具有低噪声、低功耗、结构简单以及封装尺

3、寸较小的 优点，在便携式电子产品中作为电源转换电路的搭配广泛的应用。对于低功耗的LDO设计来说，低静态电流的基准电流源具有相当重要的意义和 作用。(2)宽温度范围：该基准电流源的另一个重要指标是， 电流基准在宽温度范围 下的工作稳定程度。由于基准电流源 LDO内部各个模块提供基准电流， 因此，在基准电流源的工作范围内的稳定直接关系到整个芯片能否正常工 作。(3)2、基准电流源工作原理基准电流源的一个基本要求是输出基准电流不随电流电压VDd的变化而变化。为了得出一个对VDD不敏感的解决方法，要求基准电流IREF与输出电流I OUT 镜像，也就是说，IOUT是IREF的一个复制。图2-1所示就是一

4、种电流复制的电路 实现。其工作原理如下：Mj图2-1基准电流源的工作原理M1与M2构成一对电流镜结构，因为M1与M2具有相同的尺寸，所以Iref=Iout但是由于电压V的作用，M3与M4的VGS不相等，我们假设 M4的宽长比是M3的Mil,由于 VGS3=V3S4bV即2IOUTVTH3 二nCox(W/L) n2IoutVth 4 VnCoxK(W/L) n如果忽略体效应的影响，可得VTH3=VTH4从而2IOUTnCox(W/L) n(1 一；);V因此IOUT =V2/nCOX(W/L)n22(1 -正如所希望的，电流与电源电压 VDD无关，但仍旧是工艺和温度的函数为了消除输出基准电流对

5、温度的影响，我们可以根据电压差V产生的不同方式,分别采取不同的温度补偿方法。3、带启动电路的基准电流源的工作原理I-启动电路图3-1带启动电路基准电流源的工作原理 注：正常工作时，乂阻断，M7和M8支路消耗远远小于IREF的电流。在之前的基准电流源中，是一个与电流源无关的偏置电路，所以会有一个“简 并”偏置点的存在。当给晶体管上电时，所有的 mos管均可以没有电流通过，因 为在环路的两边的分支允许0电流，则他们可以无限期的保持关断。所以我们弄了个启动电路，当电源给晶体管上电时mos管M8工作在线性区， 不会进入关断状态，可视为电阻则 M8管子的漏电位(V8_c0,始终有个电位。在 电路开启的瞬

6、间(20us左右)V8_d会瞬间提高，则M10管子的删电位被拉高， 源电位V10_s下降,M0管子的漏电位也被拉高，则 M4管子的删电位下降则 M7 管子当V7_gs<Vtp时，M7管子也会导通，则 Vdd会产生MZ M4 M0到地的电流 通路，同理另一支路也一样，所以就搞定了 “简并”偏置点的存在而引起保持关 断的状态了。考虑到功耗我们不能让启动电路一直工作，我们必须把其关断，我们把 M9 管子关断就行了当M9删电位V9_g<Vtn时就可以关断M9了所以我们调节管子M11跟M7管子的尺寸跟并联数就可以把M9勺删电位拉低直到 关断。首先我们先取个合适的尺寸：M7 (5/15)、M1

7、0跟M11 (4/10),然后调节 M10与M11的并联数且要保持 M10跟M11的宽长比要一样，用参数动态扫描为了 考虑都实际的情况我们最终给了个合适的并联个数MZ M11管子并联数为15个。 由于M10与M11是电流镜结构 所以我们尽量把面积彳小，最终我们把 M10 M11 的尺寸定为（1/2.5 ）仿真结果也可以达到我们设计的目标。注意：NMOSf PMOS勺工艺库规定的尺寸的最大最小。4、基准电流源结构的确定要求设计的基准电流较小，是nA量级的。如果仍然采用图2-1所述的电路， 而且其MOST工作在饱和区，那么MO管的管长比将是一个非常小的值（倒比管）， 所以芯片的面积会很大。为了得到

8、纳安级的输出基准电流，设 CMOS1工作在饱 和区，如图4-1所示。图4-1饱和区工作状态的确定在图4-1所示的电路中，用电阻Rs产生了源端的电压差 V,即Rs两端的电 压差V,即V二|OURs,由于I REF=|OUT可以得到2IoutnC0X(Wjn- VTH 3 =2IoutNnCOXK叫)口Vth 4 IoutRs忽略体效应的影响，有2IoutnC0X W L n因此Iout2212nCox(W L)n RfK由上可知，得到了一个与电源电压 VDD5关的输出基准电流，其温度特性与 电阻RS和M0第的工作情况有关。4、M0第参数的粗略估计为了得到输出基准电流为50nA的基准电流源，要预先

9、对各个 MOS的宽长 比做一下初步估计。由我们采用的CSM公司0.5mCMOS合模拟信号仿真库可以知道，PMO篱和NMO篱的参数可以估计如下：Vt =35.9mV, Io =42.5fA,VTHn = 750mAVthp =950mA YCox =92A/v1nC0X =270A/V2由图4-1电路结构的确定可知，NMOST工作在饱和区，M4管的并联数一般取偶数(2、4、6、8等)，在这里，取K=2.由表达式21 11 2Iout 二1MCox(W L)n Rf、KI -pCox2?)p(VGS -VTHp )2可得 M3和 M4管的宽长比 为(W/L)n=3/15 ; M1和 M2管的宽长比

10、为 (W/L)p=6/15。假设图4-1 M1的并联数为K1,M5的并联数为K5,由MOST参数的确定可知道，K1=2, K5=2,由公式VtKiI 二In KRs Ki K5VtKiRs =In K : 498kI Ki K5；:VtKix _ x；:T 1 Ki K5In KTCrr .nwellRsTCi,nweIIRrhr ik tcKrhr i k最后可得 RnweII=3i2K, Rrhrik=i86K。四、设计器材电脑（装有虚拟机）、cadenc啾件、加入2种库：s05mixdtssa0ivii.scs" section=tt-MOSFETs05mixdtssa0ivi

11、i.scs" section=restypicaI -Resistor五、电路图注：图2-i , 3-i , 4-i中MO第的编号和图5-i中的不一样，后文电路仿真 的MO第编号以图5-i为准。图5-iMOS管子及电阻参数MOS?InstanceNameModelW/mL/mMultiplierM0mn3u15u2M1mn3u15u1M2mn1u5u1M3mp6u15u2M4mp6u15u2M5mp6u15u2M6mp5u15u15M7mp0.5u20u1M8mn1u2.5u1M9mn1u2.5u15M10mn2u15u1电阻InstanceNameModelW/mL/mResist

12、anceR1rhr1k0.8u61u186kR2*6rnwell4u60.3u312k六、电路仿真（以管子Corner ： tt ,电阻resslow 为例）1、直流工作点的仿真对各个管子进行dc扫描，扫描结果及管子的工作区域如下图:图6-1直流工作点Name (unk . / Dpwr gregionreversedron (Ohm)Md-2133*94E-92|013.51E6 036.64E-92014.59E8 078.09E6 0M2188*3E-920M35E-2156.19E-92023.27E6 1M4E-12215EE-92085.84E5 1M5?E-12213*9E-92

13、085.27E6 1图6-2 各个管子的工作区域从上面图中的具体数据可以得知，最下面的一排NMOST作在饱和区，PMOS管工作在饱和区，与最初的设置相同，静态电流也近似于50nA由工作区域的查看可以知道，最初的参数设置满足工作区域的要求。2、基准电流的PSRR勺仿真设置PSRR勺输出公式。为了仿真方便，讲 PSRR勺计算公式改为PSRR=9C IDC = dB20(IF ("/ M 0/ D")/50)*1000000000)VAC 1V其中，“IF”表示求节点交流电流的函数。对各个管子进行ac扫描，扫描范围为0.01M10M（VDD=5V Vdc=1V）图6-3 PSRR

14、输出的结果注意修改管子参数时，要进行直流工作点的仿真，使各个MOST工作在合适 的区域。PSRR勺提高对PMOS1的栅长进行扫描；当PMOS1的栅长增加时，PSRR 会增大，于是将PMOST的栅长选为15u时能得到较好的PSR时真结果。3、基准电流的温度系数（PPM调整（温度范围：-40 c-125c）PPM勺表达式为PPMImax - IminImeam (Tmax -Tmin)E。（ppm/ C）二(ymax(IS("M 0/D")-ymin(IS("M0/D")/average(IS("M0/D") /165*1000000 1

15、65是扫描的温度范围。扫描后的结果如下图:图6-4输出基准电流温度特性之所以输出基准电流会出现弧形，是因为所使用的电阻具有二阶温度系数，造成了输出基准断流值与温度的关系是一个曲率基本固定的抛物线。在这种情况下，在一定温度范围内抛物线两端相等时，基准电流的温度系数达到最小。最终得到的PPM=296.6u 此外在仿真工艺角ff、fs、sf|、ss、的结果如下所示（电阻resslow为例）Corner: ff PPM=297.6uExpressionsjn11116kH2|-11.1 IdeAC ResponseFlfg/MO/O291.26kH2 |33,8248nAIX R$pon能. +4m九

16、曲8.9962LC| 49.832nACorner ： fs PPM=296.1uExpressions.4Ll 力，108.29kHz | -Ll.ldBAC ResponseFlEgjMQjDDC ResponseEg/MOJDf q nn rwi1-'27 389C| 46 S5nACorner: sf PPM=297.6uCorner ： ss PPM=296.9u4带启动电路的基准电流源的仿真对各个管子进行瞬态分析：tran： 0100u,电压（0-5 V）延时5us,上升时间10us,下降时间 10us, Pulse width 100us不同工艺角的仿真结果:Apr 15

17、, 2012Transient Rerpanje-Apr LSa Z012ElMl<39 5Blira 2 319pA)15.2012T>*artSiertt R.c iponSess)£9 577u« | 50 215fLAApr 15, 2012Tr-hrtSithl Rjfefp4>n£epi口苦芯 EOlBnAJ /.1 " i .f/M10/D tt JW1K42.57US,弓.8177口应)7 5.0100七、个人总结通过这次的实验，让我明白了如何去设计一个基准电流源。 通过最初的计算 去估计各个MOST的管子的尺寸，工作电压，在仿真的过程中，需要根据实际仿 真模型不断进行调整，以达到最好的特性。在实际的工程中，可能回牺牲一些特 性有达到特殊的目的，比如牺牲功耗，利用复杂电路一达到低温系数的目的等。除此之外，这次的实验让我原先学习的知识有了一次很好的应用 ，仿真出来的 图形，也让我对知识点跟客观的去理解， 其实对一些调试有时真的很难抉择， 因 此最好取折中的状态，还有对课本上的知识也进一步的深入理解， 弥补了之前对 课本一些模糊概念的理解，我们发了好多个晚上去调试各个管子的尺寸，