一种新型的工作在低压情况下的PMOS衬底驱动共栅级联的电流镜.docxVIP

一种新型的工作在低压情况下的PMOS衬底驱动共栅级联的电流镜——读书笔记摘要本文提出了一种新型的工作在低压情况下的PMOS衬底驱动共栅级联电流镜。本文提出的技术是基于SMIC0.18um的CMOS工艺的，并且文中还分析并验证了这种共栅级联的电流镜的输入输出电阻，系统的DC传输误差以及频率特性和噪声等。模拟仿真结果显示：这种由衬底驱动的共栅级联的电流镜能够有效的减少输入电压到0.3V，并且相对于栅极驱动的电流镜而言，具有更好的电流驱动能力。但是该电流镜通过牺牲了输出电流随输入电压变化的线性性和频带宽度以及噪声特性来达到工作在低电压低功率的特性。这种电流镜在CMOS模拟集成电路设计中的低频和低压方面的应用中有很好的特性。研究背景 随着便携式电子和深亚微米集成电路工艺的发展，低压低功率设计成为了模拟IC中的必然趋势。因此，与之相对应的电路结构就必须要求适应低压的工作环境而不改变系统的性能。具体点就是随着电路工作电压和功率的降低，电路的工作速度和工作电流不会减小或者电路的动态特性和噪声容限不会随之减小。衬底驱动技术能够通过衬底与源极之间的可控弱性正向偏压来改变电路受阈值电压限制的缺点，从而能有效的减小电路的电源电压。另外，该设计还与标准的CMOS工艺兼容。因此，衬底驱动电流镜在低压低功率设计中越来越受到关注。就像模拟电路或混合信号电路中的其他核心结构一样，电流镜（CM）对电路的性能具有间接的影响。因此，设计出一种低压低功率结构的CM是非常有必要的。本文利用了衬底驱动技术，设计出一种低压PMOS共栅级联的电流镜（BDCCM）。PMOS共栅级联的电流镜能够在标准的0.18um工艺中实现。本文还将仿真结果与栅极驱动级联的电流镜（GDCCM）相比较证明了衬底驱动技术在实现低压低功率设计中的可行性。电路原理分析及电路特性分析 低压PMOS的BDCCM的拓扑结构如图Fig 1.将栅极电压固定在电路最低电压VG处，这样反型层就能建立，从而在栅极下面形成导电沟道。输入信号直接从M1，M3的衬底端输入，同时M1，M3的源—衬底两端的可控弱正向电压产生源漏电流。PMOS式BDCCM能够消除信号通路中阈值电压的限制，因此具有低的输入输出压降。输入输出电压特性低压BDCCM的最小输入输出压降为：低压GDCCM的最小输入输出压降为：当衬源间弱正偏时，BDCCM的输入电压降为：该压降远远小于GDCCM的输入压降。因此，M1，M2工作在线性区。显然，,并且,这就要求.为了保证M2管的衬源之间的弱正向电压，则,得到。因为,,所以,可以认为M3也工作在线性区，并且.因为M4管的源漏电压不确定，所以M4既可能工作在线性区也可能工作的饱和区。很明显，BDCCM的输出压降低于GDCCM的输出压降。输入电阻输出电阻低压BDCCM小信号等效模型如图Fig 2.所示；小信号时的输入输出电阻为：为了加深对低压BDCCM特性的理解，本文分析了其他几种PMOS电流镜结构，并将比较结果放在了Table 1.中。如表格Table 1.所示，BDCCM相对于其他电流镜而言具有更低的输入输出压降因此可以实现低电源低压，低功率的需求。低压BDCCM的输入电阻近似与GDCCM或BDCCM的输入电阻相等，小于低压GDCCM的输入电阻。以上四种电流镜具有相同的输出电阻。因此可以看出用低压BDCCM结构设计无论是做电流镜还是电流源都具有良好的性能。DC传输误差 DC传输误差系数定义为。其中包含了随机误差和系统误差。随机误差与晶体管参数的不匹配度有关。这种误差只能通过好的版图设计来减小。系统误差直接依赖于器件的结构或由加在匹配结构上的偏压不对称引起。系统误差可以通过设置合理的器件参数来降低。在本文中只讨论系统误差。 M1管和M3管都工作在线性区，源漏电流可以表示成：因为M1，M3完全匹配，且，，系统误差只能由偏压的不对称性来引起。故误差可写成：如上式所示，和的不对称性能够引起系统误差。流过M1管的电流等于流过M2管的电流，即,则可得到如下等式： 其中,弱正偏电压 由上式可以求出：, 所以 ，如果M4管工作在线性区，则：如果M4工作在饱和区，则：由上面两个表示误差的式子可以看出，最大系统误差与输入电压和偏压，跨到参数，有关，所以系统误差可以通过改变以上参数来降低。频率响应 假设低压BDCCM的输出负载很小，通过化简后系统的电流增益为：其中，该系统的两个极点都在s坐标系的左半平面，所以该系统是稳定的。实际上，极点的分布是受影响的，随着的增加，两个极点都朝原点移动。所以极点的主导地位可以通过调节合适的来实现。而对的调节又会引起降低抑制过冲电压的作用，从而产生过冲效应。所以，为了得到更好的工作特性，我们应该同时兼顾频率和过冲电压然后对设置一个合理的值。噪声响应 正常情况下，流过衬底的电流是微微