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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
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