基准电流源

华侨大学电子工程系
IC 工艺及版图设计
课程实验（六）
模拟电路单元版图布局（1） 基准电流源
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室 -2010-

IC 工艺及版图设计课程实验六
模拟电路单元版图布局-基准电流源
一、实验目的
1.掌握使用 Cadence Virtuoso XL 版图编辑软件进行模拟 IC 版图布局设计 2.掌握基准电流源电路版图布局 3.通过实验掌握最低精度度匹配（以下简称低度匹配）MOSFET 的布局方法
二、实验软件：
Cadence IC 5141 Virtuoso Layout XL
三、实验要求：
实验前请做好预习工作，实验后请做好练习，较熟练地使用 Virtuoso 软件对版图进行布局 设计，通过实验逐渐掌握低度匹配 MOSFET 的布局方法。 IC 工艺及版图设计课程实验六 教学任务 模拟电路单元版图布局①基准电流源 学时 2 专业能力： 教学目标 1.熟练掌握版图编辑软件的使用 2.掌握低度匹配 MOSFET 的布局方法 3.掌握基准电流源电路的布局 教学内容 重点 难点 1. 低度匹配 MOSFET 布局 2. 基准电流源电路版图布局设计 低度匹配 MOSFET 版图布局 低度匹配 MOSFET 版图布局
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第一部分 实验演示部分
集成电路版图设计是一门技术，它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基础 知识。但是它更需要设计者的创造性、空间想象力和耐性，需要设计者长期工作的经验和知 识的积累。然而集成电路版图设计不仅仅是一门技术，还是一门艺术。设计出一套符合设计 规则的“正确”版图也许并不困难，但是要设计出最大程度体现高性能、低功耗、低成本、 性能可靠的芯片版图却不是一朝一夕就能学会的事情。 在设计 CMOS 芯片时，主要的目标是优化芯片尺寸和提高密集度。在模拟设计中，主要的 目标不再是优化芯片尺寸，而是优化电路的性能、匹配程度、速度和各种方面的问题。例如。 布线尺寸是否满足电流密度的要求？寄生效应是否太高？匹配技术是否恰当。当然，面积在 某种程度上仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题，记住在模拟版图设计中，性能比尺 寸更重要。 在前两次实验中我们已经掌握了数字单元模块电路的布局方法，从本次实验开始我们将 用 4 次实验的时间来练习模拟电路单元版图的布局方法。如前面所说，匹配是模拟 IC 版图设 计中经常要考虑的问题，本次实验将通过基准电流源电路版图的布局练习，掌握低度匹配晶 体管布局的方法。 为了试验顺利进行请先在 Layout Editing 视窗中选择 Options-Display…查看显示分辨 率是否是 0.1（或 0.05） 。 本次实验中有关电流源的知识可以参考《微电子器件与电路》课件中模拟集成电路部分 第五章-基准电压源和电流源。
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1.1 简单基准电流源工作原理
VDD
I ref
M1
M2
I out
I ref
M3 1
:
M4 K
R
基准电流源的一个基本要求是输出基准电流不会随着电源电压 VDD 的变化而变化。为了 得出一个对 VDD 不敏感的的解决方法，要求基准电流 Iref 与输出电流 Iout 成镜像，即 Iout 是 Iref 的复制。 电路的工作原理为： M1 与 M2 管构成一对电流镜结构，因为二者的尺寸相同，所以 Iref=Iout。 但是由于 M3 和 M4 的尺寸不一样，VGS 不相同，二者的压差作用在电阻上产生参考电流。
VGS 3 = VGS 4 + VR
2 I out 2 I out + VTH 3 = + VTH 4 + I out R μ nCox (W / L)n μnCox K (W / L) n
I out =
2 1 1 2 × 2 × (1 − ) μnCox (W / L) n R K
根据上面电路工作原理推导可以知道，获得的电流源是一个与 VDD 无关的基准电流源。 其温度特性与电阻 R 和 MOSFET 的温度特性有关。
ID
VDD
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1.2 基准电流源布局设计需要考虑的一些问题
如何进行设计可能会影响最终电路的性能 所以在进行版图布局设计前我们必须先考虑以下问题： ①电流密度：流经电源线的电流多大？版图布局中将使用多大的线宽能满足电流密度的 要求。存不存在大电流的支路？如果有，支路的金属线宽取多大能满足电流密度要求。 ②匹配 PMOS 如何布局？使用精度多高的布局？该精度能满足电路的性能要求么？ ③匹配 NMOS 如何布局？使用精度多高的布局？该精度能满足电路的性能要求么？ ④电阻使用哪种材料来制造电阻？需要匹配么？精度要求多高？温度特性如何？使用多 大的线宽的电阻？占用多大面积的版图？ ⑤启动电路中长沟道的 MOSFET 如何布局使其占用面积最小。 当然这可能只是众多需要考虑的问题中比较基础的一些问题。当然，因为更关心优化电 路性能的问题，所以模拟版图设计者比纯数字版图设计者需要多知道一些有关电路的技术。 （当然，模拟 IC 设计也需要考虑到版图布局，设计合理的电路） 。 对于刚刚开始从事模拟版图设计的人员来说，需要了解电路技术往往会使他们感到困惑 和害怕。在一个版图设计者在掌握应该了解的技术前，以上要求看起来实在令人害怕。然而 华侨大学电子工程系（The Department of Electronic Engineering Huaqiao University）4 华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室