改进型共源共栅电流镜设计报告-Read.doc

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：wangqq05377@szcie.pku.edu.cn 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 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 0.5um COMS N_WELL 3metal 1poly SPICE LEVEL1 COMS体工艺模型参数 MOSFET N_channel P_channel 阈值电压 0.6431V -0.6614V 本征导电因子(跨导参数)KP 123e-6 37.9e-6 体效应因子 0.63 0.67 强反型层表面势垒 (@300K) 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 ，， MOSFET N_channel P_channel 0.6431V -0.6614V 阈值电压 0．03866 0．0117 栅氧化层厚度 1.1e-008 1.08e-008 沟道掺杂浓度 1.2-6e+017 1.4032e+017 沟道调制系数 1.8343955 2.1465001 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：5.5V 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. 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.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。 (【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) , 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，的电压降不可以过大，即： 又MN3管工作于临界饱和区，则： 为了后面H