改进型共源共栅电流镜设计报告0.6um.doc

改进型共源共栅电流镜设计报告 Author: 岳生生 Director: 罗广孝（讲师） 【摘要】： 本文介绍0.6um CMOS 工艺设计的改进型共源共栅电流镜，利用Hspice仿真，通过仿真图严谨、细致和全面地把这个电流镜设计过程展现给读者。 【关键字】：共源共栅、高输出电阻、低输出电压 边界条件 1.1工艺规范 硅晶体的一些常数 硅带隙 1.205V(300K) 波尔兹曼常数 1.38e-23J/K 本征载流子浓度 (@300K) 1.45e10 真空介电常数 8.85e-14F/cm 硅介电常数 1.05e-12F/cm 二氧化硅介电常数 3.5e-13F/cm 电子电荷 1.6e-19C 制造工艺 0.6um COMS N_WELL 3metal 1poly SPICE LEVEL49 COMS体工艺模型参数 MOSFET N_channel P_channel 阈值电压 0.736V -1.02V 本征导电因子(跨导参数)KP 119 e-6 51.7e-6 【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《集成电路设计与仿真》中得到，将这些公式和BSIM3V3器件模型参数罗列如下： 计算公式 ，， MOSFET N_channel P_channel 0.7278V -1.02V 4.260e-02 1.92e-02 栅氧化层厚度 1.25e-08 1.3e-08 沟道掺杂浓度 1.2721e+17 2.51e+16 1.2电源电压 MIN：4.5V； TYP：5.0V； MAX：5.5V 1.3工作温度 MIN：0； TYP：27； MAX：100 设计指标 2.1电流比 1：1 2.2输出电压最小值 0.5V 2.3输出电流变化范围 5～100UA 确定电路拓扑结构 设计选择的电路拓扑结构如下图所示： 其中：每个MOSFET的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4. 5点是输出点。RL负载。 通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析，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（） 3.小信号输出电阻高（） 4.输出端最小工作电压低（） 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。(其中，为什么可以成立，参考Allen的《CMOS 模拟集成电路设计》（第二版）之P106 (【注】：*********************************************************************************** 其实也可以采用别的设计方案，比如：在＝100UA且时，令MN2、MN3同时工作在临界饱和区，则： ，为了使版图面积最小化，令，则： ，……，后续的计算和刚开始讨论的方案类似，读者可以自己展开。） ******************************************************************************************* 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) ， 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，的电压降不可以过大，即： ， （其中：） 又MN3管工作于临界饱和区，则： 4.3确定(W/L)B 为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=1 4.4确定IB 在确定IB前要先计算,根据衬偏效应可以得到: 因为MN3工作在临界饱和区，所以： 又MNB管工作于MOS二极管状态： 4.5确定沟道长度L 对沟道长度的约束有： 1． 一定的下，要使较大，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