设计共源共栅电流镜

1、模才cmos实验报告12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CadenceHspice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5100UA3、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

2、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(VT1+AVmax=V+2Iinma')MAXT1iKF(W/L)13 .小信号输出电阻高(r°ut=%211,(gm3gmb3)rds3+rds3)4 .输出端最小工作电压低(2AVmax(V4=Vt3+2AVmax)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：VOutMIn=VG3-Vt3=0.5V),而MN1、MN2管随

3、着输入电流lin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VDS1=VDS2="mn=0.25V。为了2使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)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,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、(

4、W/L)4从MN3管Vgs3的角度来考虑问题，当Iin=100UA时，为了使MN2管工作在临界饱和区，Vgs3的电压降不可以过大，即:VGS3- VG3Voutmin2又MN3管工作于临界饱和区，则:二VGS3-VD3VT3Voutmin22IINMAXKP3(W/L)3-VOUTMINVT3-VOUTMIN2-21INMAX.VOUTMINKP3(W/L)3(W/L)3.217AxVOUTMIN2kpn(2)210010-6A,322226123.010A/V0.25V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

5、/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=13、2、4确定旧在确定旧前要先计算33,根据衬偏效应可以得到VT3=VTN0、",2阵|+VSBJ2怫|)=0.643W+0.63V1/2(j0.83V+0.25V30.83/)口0.72V因为MN3工作在临界饱和区，所以:Vg3-Vd3Vt3又MNB管工作于MOS二极管状态：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确定沟道长度L对沟道长度的约束有:1.routroutLrds2rds3(g1111m3gmb3)=gm3。)=.、2行3日"12IOUT3IOUT2IOUT3IOUT272|*fI+Vsb一定的Iout下，要使out较大，则上要取较小的值，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>=

7、5倍的特征尺寸。综上所述，版图设计中取L=3uM3、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Iin=100uA,它们工作于临界饱和区；当Iin减小时，Vgsi、2减小且Vdsi、2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：Vds4Vgs4-VT4UVd4Vg4-Vt4=Vgs1，VOUTMIN,VT3-VT4仁VT1+&VVOUTMIN而Vt1=0.6431V,VOutMIN=0.5V，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

8、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;旧=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*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: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可见MN14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

12、的调整和仿真。3、调整设计变量仿真1 .调整步骤一：根据VOUTMIN=VG3VT3=VTB"-(w/L)VT3，要减小VOUTMIN,可以减小IB或增大(W/L)b,为了版图设计的方便，保持(W/L)b初始估算的值，而把Ib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：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: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可见输出端（5节点）电压约为

16、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：MN2进入饱和区，应该减小根据MOS管的工作原理可知，要使MN1VgS1、VgS2、VgS3和VgS4，又Vgs=Vt+I，所以应该把(W/L)14调大。当11,KP(W/L)(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;旧=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：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:* nusfE上弓s

19、ubcktelement U：mnlmodel 0：nmasregionSaturatiidiGD.BoaauD；Rn2O：nnos Saturtl 巩日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帖帅 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 耻3UB7. QOSSfii Ozud可见MN卜MN4均工作在饱和区，输出电流和输入电流(100UQ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IIN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

21、可。通过仿真可以得到下表的一组数据：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：仿真时电路中的每个MOSFETS处于上&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;旧=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VG01.205V(300K)波尔兹曼常数k1.38e-23J/K本征载流子浓度(300K)ni二1.45e10cm真空介电常数%8.85e-14F/cm硅介电常数siL11.7%1.0