50nA带启动电路的高精确基准电流源实验报告.doc

模拟集成电路课程设计 ——实验报告 实验项目：50nA高精度基准电流源设计 指导老师： 组别： 第组 年级专业：2009级微电子学 学 号： 姓 名： 同组组员： 实验地点： 实验日期：第2周—第10周 50nA高精度基准电流源设计 引言 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，广泛用于运算放大器、A/D转换器、D/A转换器中。偏置电流源的设计时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。因此，电流源的精度直接影响到整个系统的精度和稳定性。 基准电流源是模拟电路所必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须有高质量、高稳定性的电流和电压偏置电压来支撑，它的性能会直接影响电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度等特性。本次课设是设计50nA高精度基准电流源。 第二章 基准电流源的工作原理 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VDD不敏感的解决方法，要求基准电流IREF与输出电流IOUT镜像，也就是说，IOUT是IREF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： 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，因为M1与M2具有相同的尺寸，所以IREF=IOUT。 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 如果忽略体效应的影响，可得 VTH3=VTH4 从而 因此 正如所希望的，电流与电源电压VDD无关，但仍旧是工艺和温度的函数。 为了消除输出基准电流对温度的影响，我们可以根据电压差V产生的不同方式，分别采取不同的温度补偿方法。 第三章 基准电流源的性能参数 3.1 温漂系数 基准电流源的一个重要指标是电流基准在宽温度范围下的工作稳定程度。温漂系数不仅衡量带隙基准电压源输出电压温度变化的一个性能参数，也是衡量基准电流源输出电流的一个重要参数。与基准电压源的温漂系数类似，基准电流源的温漂系数同样表示输出基准电流随温度变化的情况，其单位为ppm/°C，表示当温度变化1度时，输出电流变化的百分比。其计算公式为 即 我们设计的50nA的高精度基准电流源输出基准电流一般在-25-140°C宽温度范围内稳定。 3.2 电源抑制比（PSRR） 通常，基准电流源作为一个重要作用就是在正常工作电压范围内，当电源电压发生变化时，输出电流基本不变，也就是其电源抑制比比较高。电源抑制比是衡量电路对电源线上噪声的抑制能力参数，即，基准电流源的电源抑制比表现了输出基准电流随电源电压VDD变化的情况。对于基准电流源，本设计的电流抑制比的定义为：从电源电压VDD到输出基准电流的增益。符号表达式为： 3.3 功耗 与基准电压源类似，基准电流源中也有功耗的需求。其衡量标准也是电脑在正常工作情况下的静态电流的大小。为了满足各种不同电路的要求，如精度响应速度等，通常会增大电路的功耗。 第四章 基准电流源结构与参数的确定 4.1 电路结构的确定 要求设计的基准电流较小，是nA量级的。如果仍然采用图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非常小的值（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IREF=IOUT,可以得到 忽略体效应的影响，有 因此 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管的工作情况有关。 4.2 MOS管参数的粗略估计 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计。 由我们采用的CSMC公司0.5mCMOS混合模拟信号仿真库可以知道，PMOS管和NMOS管的参数可以估计如下： 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 可得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。 根据计算出的MOS管和电阻的大小，最终画出电路图如图4-2所示。 注意：图4-2中MOS管的编号和图4-1中的不一样，后文电路仿真的MOS管编号以图4-2为准。 图4