电流镜

1一、实验目的熟悉软件使用，了解Cadencee等软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。二、实验要求1低输出电压高输出电阻的电流镜设计。2、电流比1：1。3、输出电压最小值0.5V。4、输出电流变化范围5～100UA三、实验内容确定电路拓扑结构中：2MOSFET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（11112max(/)TMAXTIinVVVKPWL）3.小信号输出电阻高（23333[1()]outdsmmbdsdsrrggrr）4.输出端最小工作电压低（43~2(@2)MAXTMAXVVVV）设计变量初始估算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：33OUTMINGTVVV=0.5V），而MN1、MN2管随着输入电流inI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120.252OUTMINDSDSVVVV。为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)222DSGSTVVV2222(/)2INMAXOUTMINDSIVVKPWL62622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAXOUTMINNIAWLVAVVKP,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。2确定(W/L)3、（W/L）4从MN3管3GSV的角度来考虑问题，当inI＝100UA时，为了使MN2管工作在临界饱和区，3GSV的电压降不可以过大，即：332OUTMINGSGVVV又MN3管工作于临界饱和区，则：3332OUTMINGSDTVVVV333323(/)2INMAXOUTMINTOUTMINTIVVVVKPWL323(/)2INMAXOUTMINIVKPWL63622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAXOUTMINNIAWLVAVVKP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确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=14确定IB在确定IB前要先计算3TV,根据衬偏效应可以得到:1/230(22)0.64310.63(0.830.250.83)0.72TTNFSBFVVVVVVVVV因为MN3工作在临界饱和区，所以：333GDTVVV又MNB管工作于MOS二极管状态：32(/)GDSBGSBTBBBIBVVVVKPWL231()(/)2GTBBBIBVVKPWL2331()(/)2DTTBBBIBVVVKPWL2301()(/)2OUTMINTTNNBIBVVVKPWL2620.5(0.50.720.6431)123.010/120IBVVVAVUA5确定沟道长度L对沟道长度的约束有：1．outr23333323231111()(1)2(1)22outdsdsmmbmOUTOUTOUTOUTOUTFSBrrrgggKPIIIIIV4一定的OUTI下，要使outr较大，则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=5倍的特征尺寸。综上所述，版图设计中取3LuM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100INIuA,它们工作于临界饱和区；当INI减小时，12GSV、减小且12DSV、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：444dsgsTVVV444dgTVVV134gsOUTMINTVVVTV1TOUTMINVVV而10.6431,0.5TOUTMINVVVV,显然上式成立。即MN4工作于饱和区。HSPICE仿真验证1旨在调整设计变量的仿真：1、电路拓扑结构节点命名：5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;IB=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：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：可见MN1～4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的调整和仿真。3、调整设计变量仿真1.调整步骤一：根据3332(/)BOUTMINGTTBTBBIVVVVVKPWL，要减小OUTMINV，可以减小BI或增大(/)BWL，为了版图设计的方便，保持(/)BWL初始估算的值，而把BI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。2.调整步骤二：根据MOS管的工作原理可知，要使MN1、MN2进入饱和区，应该减小123GSGSGSVVV、、和4GSV,又2(/)DGSTIVVKPWL,所以应该把(W/L)1~4调大。当(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM;(W/L)B=3UM/3UM;IB=17UA，同时调整RL＝45.2KOHM，使MN3进入临界饱和。可见MN1～MN4均工作在饱和区，输出电流和输入电流（100UA）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INI减小到50UA和5UA的再进行仿真，只6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可。通过仿真可以得到下表的一组数据：注：仿真时电路中的每个MOSFET均处于饱和区)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;IB=17UA。版图设计四、总结通过共源共栅电流镜设计这个实验，让我更加熟悉了电流镜的相关知识，对整个实验的总体过程有了初步了解，为以后的工作积累了经验，获得了更多实践的经验实验的结果往往不是最重要的，过程才是我们在做实验中最宝贵的。希望自己在以后的工作学习中能够开拓思维，继续努力。INI(A)LMAXR()OUTMINV(V)OUTI(A)100%INOUTINIII100U45.2K487.0058M99.8450U0.2%50U90.7K466.8759M49.9793U0.04%5U914.2K432.0060M4.9967U0.07%7