1、前言：本文谨献给有共同兴趣爱好的同学们，以互相讨论共同进步。由于本人是初学者，文中难免有误，真诚希望同学和前辈们批评指正；在设计过程中走过不少弯路，深知其中的困难，为了共同的提高，兹特共享此文。真诚期待喜欢模拟又切实投入时间探讨的同学加为好友：改进型共源共栅电流镜设计报告Author:WANGQQ【摘要】： 本文力图严谨、细致和全面地把一个典型的电流镜设计过程呈现给读者，该文探讨的是改进过的低输出电压高输出电阻的电流镜设计。【关键字】：共源共栅、高输出电阻、低输出电压一 边界条件1.1 工艺规范(1) 硅晶体的一些常数硅带隙 0GV1.205V(300K)波尔兹曼常数 k1.38e-23J/K
2、本征载流子浓度(300K) in1.45e103cm真空介电常数 08.85e-14F/cm硅介电常数 1.7siA1.05e-12F/cm二氧化硅介电常数 039ox3.5e-13F/cm电子电荷 q1.6e-19C(2) 制造工艺0.5um COMS N_WELL 3metal 1poly(3) SPICE LEVEL1 COMS 体工艺模型参数MOSFET N_channel P_channel阈值电压 0TV0.6431V -0.6614V本征导电因子(跨导参数)KP 123e-6 2/AV37.9e-6 2/AV体效应因子 0.63 1/ 0.67 1/强反型层表面势垒 2F(300
3、K)0.83V 0.84V【注】：由于晶圆制造厂商提供 BSIM3V3 的 MOS 模型，而没有直接提供以上设计参数，它们是根据 BSIM3V3 用户手册推荐的公式并利用晶圆制造厂商提供的 BSIM3V3 MOS 器件模型参数计算出来的，其实这些公式可以从半导体器件物理中得到，兹将这些公式和BSIM3V3 器件模型参数罗列如下：计算公式， ，0oxKPUt2/sichoxqnt2ln()chFiKTqMOSFET N_channel P_channel0TV0.6431V -0.6614V阈值电压 U003866 2/()mVs00117 2/()mVs栅氧化层厚度 oxmt1.1e-008
4、1.08e-008沟道掺杂浓度 chn1.2-6e+017 3c1.4032e+017 3c沟道调制系数 CLMP1.8343955 2.1465001(4) MOS 器件的电容值和系数（由于以下计算过程没有用到，暂时不再罗列）1.2 电源电压MIN：4.5V； TYP：5.0V； MAX：5.5V1.3 工作温度MIN：0 ； TYP：27 ； MAX：100CC二 设计指标2.1 电流比 1：12.2 输出电压最小值 0.5V2.3 输出电流变化范围 5100UA三 确定电路拓扑结构设计选择的电路拓扑结构如下图所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber
5、RevisionSizeBDate: 17-Oct-2006 Sheet of File: D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designA00_projectcurrent_mirror.ddbDrawn By:MN2MN4 MN3 MNBMN1IIN IBRLVDGND142 35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
6、.输入端工作电压低（ ）11112max(/)TMAXTIinVKPWL3.小信号输出电阻高（ ）233(outdsmbdssrgr4.输出端最小工作电压低（ ）42)MAXTMAXV四 设计变量初始估算4.1 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： =0.5V） ，而 MN1、MN2 管随着输入电流3OUTMINGTV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inI作在临界饱和区时 。120.25
7、OUTINDSV(【注】：*其实也可以采用别的设计方案，比如：在 100UA 且 时，令 MN2、MN3 同时工作在inIOUTMINV临界饱和区，则： 23DSOUTMINV2233(/)(/)INMAXIAXTINKPWLPL，为了使版图面积最小化，令 ，231(/)(/)IAX OUTMINV 23(/)(/)WL则： 22(/)IMAXOUTMINVKPL，后续的计算和刚开始讨论的方案类似，读者可以自己展开。2/()IAXTNW）*以下我们再回到刚开头讨论的方案，为了使 MN1、MN2 工作在饱和区，则必须：( 以 MN2 为例计算) 22DSGTV2(/)INMAXOUTMINDSV
8、KPWL,62 622210(/)3./.5()INMAXOUT AVV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。4.2 确定(W/L)3、 （W/L）4 从 MN3 管 的角度来考虑问题，当 100UA 时，为了使 MN2 管工作在临界饱和区，3GSVinI的电压降不可以过大，即：3GSV32OUTMING又 MN3 管工作于临界饱和区，则：33TISDVV3 332(/)2INMAXOUTMINTOUTMINVVKPWL3(/)IAXIV63 622210/ 3./.5()INMAXOUT ALVKP为了后面 HSPIC
9、E 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。4.3 确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=14.4 确定 IB在确定 IB 前要先计算 ,根据衬偏效应可以得到:3TV1/230(22)0.643.(0.83.250.83).72TNFSBFVVVVA因为 MN3 工作在临界饱和区，所以：33GDT又 MNB 管工作于 MOS 二极管状态：3 2(/)GDSBGTBBIVVKPWL231()I(/)DTBB230(2OUMINTNIBVKPL2620.5.7.641)3.01/0VAVU4.5 确定沟道长度 L对沟道长度的约
10、束有：1 outr2333 3232311()()2(1)2outdsmbmOUTOUTOUT FSBrggKPIII VA一定的 下，要使 较大，则 要取较小的值，即 L 要取较大的值。OUTIoutr2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 3uM4.6 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. M
11、N1、MN2：当 ,它们工作于临界饱和区；当 减小时， 减小且 增大，使它 10INuAIN12GSV、 12DS、们工作在过饱和区。4. MN4：要使 MN4 管工作于饱和区，则：44dsgsTV134gsOUTMINTVI而 ,显然上式成立。即 MN4 工作于饱和区。10.64,0.5TOUTMINV五 HSPICE 仿真验证5.1 旨在调整设计变量的仿真5.1.1 电路拓扑结构节点命名：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 17-Oct-2006 Sheet of File: D:e0_exerciseanalog
12、_cmos_ic_designA00_projectcurrent_mirror.ddbDrawn By:MN2MN4 MN3 MNBMN1IIN IBRLVDGND142 35其中：每个 MOSFET 的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.5.1.2 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 RL44.7KOHM，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_
13、mirror_01.sp, 文本如下：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror*file_header*file_name:cascode_current_mirror_01.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*library*.include “D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designB00_libhua05.sp“ *end_library*ne
14、tlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81U MN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 44.7K *end_netlist*source*VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 20UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*print*.PRINT DC
15、 I(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：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的调整和仿真。5.1.3 调整设计变量仿真1.调整步骤一：根据 ，要减小 ，可以减小 或增大 ，3 32(/)BOUTMINGTBTIVVVKPWLOUTMINBI(/)BWL为了版图设计的方便，保持 初始估算的值，而把 调小到 17UA。这时，(W/L)1=(W/L)2 (/)BI(W/L)3=(W/
16、L)4=81UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM; IB=17UA，同时调整 RL45.2KOHM ，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：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror*file_header*file_name:cascode_current_mirror_02.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct
17、.16,2006*end_file_header*library*.include “D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designB00_libhua05.sp“ *end_library*netlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81U MN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 45.2K *end_netlist*source*
18、VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 17UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*print*.PRINT DC I(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：可见输出端(5 节点)电压约为 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：根据 MOS 管的工作原理可知，要使 MN1、MN2 进入饱
19、和区，应该减小 和 ,又123GSGSV、 、 4V,所以应该把(W/L)14 调大。当 (W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93UM/3UM; 2(/)DGSTIVKPWL(W/L)B=3UM/3UM; IB=17UA，同时调整 RL45.2KOHM ，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：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror*file_header*file_name:cascode_curre
20、nt_mirror_03.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006*end_file_header*library*.include “D:e0_exerciseanalog_cmos_ic_designB00_libhua05.sp“ *end_library*netlist*MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=93U MN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=93UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=93UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=93UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 45.2K *end_netlist*source*VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 17UAIIN VD 1 DC 100UA*end_source*analysis*.OP.TEMP 27*end_analysis*
