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1、精品word学习资料可编辑福州高校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别： 第五组姓名： 陈长毅学号： 210991804同组姓名： 许金喜（ 210991842） 系别： 至诚学院信息工程系专业： 微电子学年级： 2021 级指导老师 ： 屈艾文试验时间： 其次周第九周名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑一， 设计目的设计一个 50nA 高精度参考电流源（温度范畴 -40125）；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
2、 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行少的基本部件， 高性能的模拟电路必需有高质量， 高稳固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固性， 我们必需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最大做到 -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 管参数的粗略估量；3，电阻参数的估量；三， 设计
3、原理和步骤1，L DO 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，结构简洁以及封装尺寸较小的优点，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） ） 宽温度范畴： 该基准电流源的另一个重要指标是， 电流基准在宽温度范畴下的工作稳固程度；由于基准电流源LDO 内部各个模块供应基准电流， 因此，在基准电流源的工作范畴内的稳固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
4、 VDD不敏捷的解决方法，要求基准电流I REF与输出电流 I OUT 镜像，也就是说， I OUT是 I REF的一个复制；图 2-1 所示就是一种电流复制的电路实现；其工作原理如下：名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑图 2-1基准电流源的工作原理M1与M2构成一对电流镜结构， 由于 M1与 M2具有相同的尺寸，所以 I REF=I OUT；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K倍，由于 VGS3=VGS4+V即名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑2IOUTVTH 32IOUTVTH 4V名师归纳总结欢迎下载精品wo
5、rd学习资料可编辑nCox(W/L) nnCoxK(W/L) n假如忽视体效应的影响，可得VTH3=VTH4从而名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑2IOUT(1nCox(W/L) n1)V K名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑因此IOUTV 2nCox(W / L)n名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑2(11 ) 2K正如所期望的，电流与电源电压VDD无关，但仍旧是工艺和温度的函数；为了排除输出基准电流对温度的影响，我们可以依据电压差V 产生的不同方式， 分别实行不同的温度补偿方法；名师归纳总结欢迎下载精品wor
6、d学习资料可编辑3，带启动电路的基准电流源的工作原理图 3-1 带启动电路基准电流源的工作原理注：正常工作时， M9关断， 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，全部的mos管均可以没有电流通过，由于在环路的两边的分支答应 0 电流，就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，可视为电阻就 M8管子的漏电位（ V8_d），始终有个电位；在电路开启的瞬时（ 20us 左右） V8_d会瞬时提高，就 M1
7、0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，就 M4管子的删电位下降就 M7 管子当 V7_gsVtp 时，M7管子也会导通，就 Vdd会产生 M7，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始终工作，我们必需把其关断，我们把M9管子关断就行了 当 M9删电位 V9_gVtn 时就可以关断 M9了所以我们调剂管子 M11跟 M7管子的尺寸跟并联数就可以把 M9的删电位拉低直到关断；第一我们先取个合适的尺寸 :M7（5/15 ），M10 跟 M11（ 4/10 ），然后调剂
8、 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形我们最终给了个合适的并联个数M7，M11管子并联数为 15 个；名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑由于 M10与 M11是电流镜结构 所以我们尽量把面积做小，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；留意： NMOS与 PMOS的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；假如仍旧接受图 2-1 所述的电路， 而且其 MOS管工作在饱和区，那么 MOS管的管长比将是一个特殊小的值 （
9、倒比管），所以芯片的面积会很大；为了得到纳安级的输出基准电流，设CMOS管工作在饱和区，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=IOUTRs，由于 I REF=I OUT, 可以得到名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑2IOUT nCOX (WL) nVTH 32IOUT nCOXK (WL)nVTH 4IOUT RS名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑忽视体效应的影响，有名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑2IOUT11nCOXW L nKIOUTRS名
10、师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑因此S2112名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑IOUTn COX (W L)n R2 1K名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑由上可知，得到了一个与电源电压VDD无关的输出基准电流，其温度特性与电阻 RS和 MOS管的工作情形有关；4 ，MOS管参数的粗略估量为了得到输出基准电流为 50nA 的基准电流源，要预先对各个 MOS管的宽长比做一下初步估量；由我们接受的 CSMC公司 0.5mCMO混S 合模拟信号仿真库可以知道，PMOS管和 NMOS管的参数可以估量如下：名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑VT35.9m
11、V , IO42.5 fA,VTHn750mA名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑VTHp950mA,pCOX92 A/ V 2,nCOX270A/ V 2名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑由图 4-1 电路结构的确定可知， NMOS管工作在饱和区， 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S2112名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑IOUT1n COX (W L)n R21KW2名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑IpCOX (2L ) P (VGSVTHp )名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑可得
12、 M3 和 M4 管的 宽长比 为 (W/L)n=3/15 ； M1 和 M2 管的宽 长比为(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 MOS管参数的确定可知道， K1=2，K5=2，由公式名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑IVTK 1ln K名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑RSK 1K 5RSVTK 1ln K名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑RSVTK 1ln K498kTT1K 1K 5名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑IK 1K 5名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑TCRRnw
13、ell RsTC1,nwellRrhr 1kRTCrhr 1k名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑s最终可得 Rnwell=312K ， Rrhr1k=186K；四， 设计器材电脑（装有虚拟机），cadence软件，加入 2 种库：s05mixdtssa01v11.scs section=ttMOSFETs05mixdtssa01v11.scs section=restypicalResistor五， 电路图注：图 2-1 ，3-1 ，4-1 中 MOS管的编号和图 5-1 中的不一样，后文电路仿真的 MOS管编号以图 5-1 为准；图 5-1名师归纳总结欢迎下载精品word学习资料可编辑MOS 管子及电阻参数MOS管InstanceNameModelW/mL/mMultiplierM0mn3u15u2M1mn3u15u1M2mn1u5u1M3mp6u15u2M4mp6u15u2M5mp6u15u2M6mp5u15u15M7mp0.5u20u1M8mn1u2.5u1M9mn1u2.5u15M10mn2u15u1电阻InstanceName
