CMOS电路课设报告

一、设计目的
设计一个50nA高精度参考电流源（温度范围-40~125℃）。

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，广泛应用于运算放大器、A/D转换器、D/A转换器中。

偏置电流源的设计是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。

并且，基准电流源是模拟电路必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须有高质量、高稳定性的电流与电压偏置电路来支撑，它的性能会直接影响到电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度等特性。

所以为了确保到整个系统的精度与稳定性，我们必须引入一种输出基准电流高阶温度补偿的方法确保电流源的高精度。

二、设计内容
1、设计指标：
PSRR最大做到-30dB。

温度系数最大做到1000ppm/C；
2、MOS管参数的粗略估计；
3、电阻参数的估计；
三、设计器材
电脑（装有虚拟机）、cadence软件、
加入2种库：
s05mixdtssa01v11.scs" section=tt ----MOSFET
s05mixdtssa01v11.scs" section=restypical ----Resistor
四、 电路图
带启动电路的基准电流源
五、 设计原理以及步骤
1、分析基准电流的性能参数 (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 6
10()
MAX MIN MEAM MAX MIN C I I T I T T -=⨯-
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。

(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)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。

2、基准电流源结构的确定 （1）MOS 管工作区域的确定
根据要求为了得到纳安级的输出基准电流，设CMOS 管工作在亚阈值区，如图1所示。

图1 则亚阈值区MOS 管源漏极电流表达式
其中，I 0为单位饱与电流，/T V kT q =，ξ是亚阈值斜率因子。

如果
DS
T V V ，那么exp DS
T
V
V ⎛⎫
- ⎪⎝⎭
可以忽略。

因REF OUT
I I =
所以 40n exp GS REF
T V W I I L V ζ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭40n exp GS OUT T V W I K I L V ζ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
因此 34ln GS GS REF S
T T
V V I R K V V ζζ-==，
从而 ln T REF S
V K
I R ζ=
我们发现，在亚阈值模型的推算当中，输出电流是被晶体管寛长比的比值与电阻唯一确定的，这说明基于传统的基准电流源的工作原理，工作在亚阈值区的MOS 管是可以用来生成与电源电压无关的基准电流的。

与饱与区工作状态下的电流计算公式相比，载流子迁移率已经不会影
响亚阈值电流了。

在亚阈值电流公式中只有电阻R S 与V T 这两个与温度有关的变量。

其中，V T 电压与温度成正比，而实际工艺中的电阻也有其温度系数。

也可以通过不同种类的电阻的组合组成具有我们所需要的温度特性的电阻，如果能够组成一个与绝对温度成正比的电阻，则输出电流T REF 就可以保持相当好的温度特性。

（2）电路结构的确定
为了进一步提高基准电流的PSRR ，如图2所示的三支路结构的基准电流源。

输出基准电流源的表达式为
2
2211()OUT n OX S I C W L n R K ⎛ ⎝=μ，M 5与M 6管组成的第三条支路在原来的电流镜的基础上添加一个负反馈系统，如图3图4所示。

如图3所示的环路，存在一个弱的正反馈环路，当电源电压V DD 升高时，V X 电压升高时，M 2管相当于一个共源级，根据共源级增益为负来看，V Y 电压与V X 电压相反，所以V Y 电压降低，同样，M 3管又可以看作是一个共源级，所以M 3的漏端电压升高，即V X 电压升高。

这样，形成了V X→V Y→V X正反馈环路，所以整个系统的PSRR 较低，输出的基准电流随电源电压变化较大。

图2
图3 图4
对于图1所示的三支路基准电流源来说，由于多了一条支路，形成了负反馈，如图4示。

其原理是V DD升高时，X点电压V Y升高，同样道理，将M2管看作一个共源级，则Y点电压V Y降低，在M3管的作用下，Z点电压V Z升高，同时又在M6管共源级的作用下，X点电压降低。

这样。

就形成V X→V Y→V Z→V X负反馈环路，所以整个系统的PSRR较高，输出基准电流随电源电压变化较小。

3、带启动电路基准电流源的工作原理
在实际工作中主电路要工作需要在低电频的情况下输入一个高电压后工作。

也就是说是一个跳变的过程。

我们发现当电压从0到5V跳变的过程中主电路并不能如我们所愿使工作电压升到5V。

这是因为电路有两个工作点，在低电压时就能满足一个工作状态，所以我们需
要跳过这一个工作状态，这就需要我们的启动电路了。

用启动电路将M0管的漏极电压升到工作电压。

当达到工作电压后我们又要使启动电路关断，于是我们设计了如电路图中红色部份的启动电路。

M9管是作为一个开关用的NMOS管，它的源端接M0的源极，当M0电压低时M9管将导通，这能使M0管电压升到工作电压。

当M0上升到工作电压后，因为M9的V GS将远小于V TH所以M9管关断启动电路停止工作。

那么我们又要考虑M9管栅电压使其足以启动整个电路又能在启动后关断。

我么接M8作为一个电阻，同时M10，M11构成一个电流镜通过调节它们两个的比值使M0工作后M8的电流可以被漏掉，但是要竟可能的使漏电流减小。

这样就不至于使M9管不能关断。

4、绘制电路图
5、进行电路仿真
六、电路仿真结果
（一）、50nA高精度基准电流源的电路仿真结果：
1、不同corner各个管子的工作区域以及PPM值
M422222
M522222 PPM419.7440.4421.2442.1464.3（3为亚阈值区，2为饱与区，1为线性区）
2、不同corner仿真出来的图
（1）、Corner：tt
（2）、Corner：ss
（3）Corner：sf
（4）、Corner：fs
（5）、Corner：ff
（二）、带启动电路基准电流源的电路仿真结果：
仿真设置
1、Corner：tt
2、Corner：ss
3、Corner：sf
4、Corner：fs
5、Corner：ff
七、个人总结
在本设计中，设计了一个工作在亚阈值区的基准电流源，最初的计算只能估计各个MOS管的工作电压，在仿真过程中，需要根据实际仿真模型不断进行调整，以达到最好的特性。

在实际的工程设计中，可能牺牲一些特性以达到特殊的目的，比如牺牲功耗，利用复杂电路以达到低温度系数的目的等。

根据设计指标的不同，参数的仿真设计也会不尽相同。

在这几周是设计中发现了自己很多的不足，比如对电流镜的分析不够透彻、对启动电路的理解不够等等，一些理论知识还有待加深理解。

附录：器件的参数。