精密电流源-毕业设计要点

本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题目：精密电流源姓名：学院：系：专业：年级：学号：指导教师（校内）：职称：高级工程师指导教师（校外）：职称：2011年5月31 日精密电流源摘要：本文介绍了带隙基准电流源的原理以及电流源的设计。

首先通过带隙基准理论的研究对带隙电源的基本原理有一定的了解，再确定电流源设计的基本结构，然后设计电路的细节，最后初步设定了所要达到的指标，本文的设计两个正负温度系数相加使得温度系数在某一温度下为0，从而达到良好的温度系数。

关键词：电流镜带隙基准温度系数 Pspice仿真Precision current sourceABSTRACT:This paper introduces how to design bandgap benchmark current source. First through studying the bandgap benchmark theory we have certain knowledge of the basic principle of bandgap power , then we design the basic structure of current source , and design the details of circuit , last we set the parameters to reach index. this design use two current sources and them respectively have positive and negative temperature coefficient .we makes them Combine and its temperature coefficient is 0, to achieve good temperature coefficient.KEYWORDS:Current mirror bandgap benchmark temperature coefficient Pspice simulation目录第一章引言 (5)1.1 研究背景与目的 (5)1.2 主要工作 (5)1.3 论文结构 (5)第二章电流镜2.1 概述 (6)2.2 电流镜的基本结构 (6)第三章带隙电流源的基本原理 (7)3.1 概述 (7)3.2 与电源无关的偏置 (7)3.3 与温度无关的基准 (9)3.3.1 负温度系数电压的产生 (9)3.3.2 正温度系数电压的产生 (10)3.4 带隙基准 (11)3.5 PTAT电流的产生 (13)第四章精密电流源的设计 (14)4.1 设计方案与指标 (14)4.2 与电源无关的偏置 (15)4.3 基准电流的设计 (15)4.4 精密电流源的实现 (16)4.5 其他类型的电流源 (18)第五章电路的仿真与分析 (20)5.1 HSPICE简介 (20)5.2 电路的仿真与分析 (21)5.3 仿真性能汇总 (23)第六章结论总结 (24)致谢语 (25)参考文献第一章引言1.1 研究背景与目的基准电流源是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、D/A转换器、A/D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。

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具有高质量、高稳定性的电流和电压偏置电路来支撑，它的性能会直接影响电路的功耗、电源抑制比以及温度等特性。

如何设计一个低温漂、高电源抑制比的基准电流源是模拟电路设计者所关心的课题之一。

本论文目的在于介绍一种高精度、低温漂的带隙基准电流源，首先对电流镜、带隙基准的原理进行了系统的的分析和总结，对此电流源有个深入的了解，初步了解基准电流源的设计方法和过程，在设计过程中，进一步掌握必要的知识及熟练使用仿真软件的能力。

1.2 主要工作本文从电流镜，带隙基准的基本知识和原理讲起，期间我查阅了很多相关的书籍和论文等资料，在对原理有了比较清晰地了解后，我开始了带隙基准电流源的设计，我在导师的帮助下，不断地改进设计，尽量使自己的设计能够满足要求。

再对已设计的电路进行Hspice仿真，在学长的帮助下使电路的参数更加完善，也使我对电路设计的方法和性能测试进一步掌握，最终得出较为满意的设计指标。

1.3 论文结构本文主要设计了一种简单带隙基准电流源，论文安排如下：第二章：介绍电流镜的基本原理。

第三章：介绍带隙基准的基本原理第四章：介绍带隙基准电流源的电路设计思路和方法。

第五章：运用HSPICE 软件对设计电路进行仿真。

第六章：给出总结。

第二章 电流镜的基本原理2.1 概述电流镜(CM)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。

它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路，能减少电压变化和温度变化带来的误差，其性能对整个电路乃至系统的性能都有重要的影响。

为了适应各种电路及系统性能的要求，不同的电路需要使用不同结构的电流镜，如放大器、比较器、自校准电流源等使用结构简单的电流镜，而转换器等要求高性能电流镜。

输出阻抗和电流匹配精度是决定电流镜性能最重要的参数。

2.2 电流镜的基本结构模拟集成电路中电流源设计的基本思路是从一个参考电流源“复制”电流。

下面介绍电流复制的基本原理。

对于一个场效应管，在忽略沟道调制效应的前提下（即），根据饱和萨氏方程I D =g m V GS =K(V GS -V th )2,可知饱和的MOS 管漏极电流在器件的尺寸（W/L ）与工艺（u n ，V th ）确定的条件下只与其栅源电压有关，所以只要是相同的工艺参数制作的两个相同的MOS 器件具有相同的栅源电压，并且都在饱和区，则其漏极电流完全相等，即实现了所谓的电流复制。

但由于实际电路存在沟道调制效应，此时饱和MOS 管的其漏极电流 图2.1为I D =g m V GS =K(V GS -V th )2(1+λV DS )，所以饱和漏极电流不仅是V GS 的函数，而且是其漏极电压V DS 的函数。

即具有相同的栅极电压，但存在沟道调制效应时，漏极电压V DS 若不相等，则其电流也不会相同。

基于以上思路，所设计的基本电流镜的结构如图2.1所示。

上图中M1与M2构成的电路结构称为“电流镜”，I R 为参考电流，I 0为输出电流，且由于11GS DS V V =，所以M1工作于饱和区，假设M2的th GS DS V V V -≥，则也M2工作在饱和区，根据饱和萨氏方程，在考虑沟道调制效应时有：（2.1）从上,2.1可以看出：假如已有I R ，只要改变M1与M2的宽长比，就可设计出Io ，它即可以与I R 相等，也可与I R 成一比例关系，所以也称为比例电流镜，这种技术在模拟集成电路中有着广泛的应用，比如作为放大器的负载。

但是由于存在沟道调制效应，且V DS2是一变量，因此Io 实际上不是一个恒流源。

如何改善Io 的恒流特性以实现真正意义上的电流源，从式2.1可以看到原则上有两种方法：①减小以至消除M2的沟道调制效应（因为V DS1＝V GS1为定值，故M1不影响Io 的恒流特性），即通过增大M2的沟道长度，以减小λ，增大输出阻抗，从而改善恒流特性。

②设定V DS2＝V DS1，则可知Io 与I R 只与M1、M2的宽长比相关，从而得到具有很好的恒流特性的电流源。

第三章 带隙电流源的基本原理3.1 概述模拟电路广泛地包含电压基准和电流基准。

这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。

例如一个差分对的偏置电流就必须根据基准产生，因为它会影响到电路的电压增益和噪声。

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。

在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：1.与绝对温度成正比（PTAT ）2．常数Gm 特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；3.与温度无关。

因此，我们可以将任务分为两个设计问题：与电源无关的偏置和温度变化关系的确定。

3.2 与电源无关的偏置我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流。

如图3.1所示，如果I REF 不随V DD 变化，并前忽略M2、M3的沟道长度调制效应，那么I D2和I D3就保持与电源电压无关。

所以问题是:我们如何产生I REF R DS DS o I V V L W L W I )1()1()()(1212λλ++⋅=呢？图3.1电流镜偏置使用作为一个近似的电流源，我们将电阻接在VDD 和M1的栅极之间，如图所示。

但是，这种电路的输出电流对VDD 很敏感：为了得到一个对V DD 不敏感的解决方法，我们假设电路必须由自己偏置，即I REF 必须通过某种方式由I OUT 得到。

这种思想是如果I out 最终与V DD 无关，那么I REF 就可以是I OUT 的一个复制。

图3.1是一个电路实现，M3和M4复制了I OUT 。

从而确定了I REF 。

从本质上讲，I REF 被“自举“到I OUT 。

选择一定的MOS 管尺寸，如果忽略沟道长度调制效应，我们有I OUTt =KI REF 。

请注意，因为每个二极管方式连接的器件都是由电流源驱动的，所以相对来说，I REF 和I OUT 与VDD 无关。

但是电流仍旧是工艺和温度的函数。

为了唯一确定电流值，我们对电路加入另一个约束，如图3.1所示的。

图中，因为PMOS 器件具有相同的尺寸，虽然要求I OUT =I REF ,但是电阻Rs 减小了M2的电流。

可以写出V GS1=V GS2+I D2R S ，或1222(/)(/)out out TH TH out S n ox N n ox NI I V V I R C W L C K W L μμ=+图3.2（a ）确定电流而增加Rs （b ）消除体效应的替代电路忽略体效应我们有：2(/)out out S n ox N I I R C W L Kμ= 因此：2221(1(/)out n ox N S I C W L R Kμ= 正如所希望的，电流与电源电压无关（但仍旧是工艺和温度的函数）。

因为M1和M2的源极位于不同的电位，所以在前面计算中假设V TH1=V TH2会产生一些误差。

如图3.2，一种简单的修补方案是在M3的源极引入一个电阻，同时通过将每个PMOS 晶体管源极和衬底相连来消除体效应。

如果沟道长度调制可以忽略，总电路表现出很小的电源依赖性。

正是由于这个原因，此电路中的所有晶体管均采用相对较长的沟道。