设计共源共栅电流镜

设计共源共栅电流镜

1、课程设计的目的

熟悉软件使用，了解Cadence、Hspice等软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路版图实现所给要求。

2、课程设计题目及要求

2、1课程设计题目：

低输出电压高输出电阻的电流镜设计。

2、2课程设计要求：

1、电流比1：1。

2、输出电压最小值0.5V。

3、输出电流变化范围5～100UA

3、课程设计报告的内容

3、1确定电路拓扑结构

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（11T MAX T V V V +∆=

3.小信号输出电阻高（23333[1()]out ds m mb ds ds r r g g r r =+++）

4.输出端最小工作电压低（43~2(@2)MAX T MAX V V V V ∆=+∆）

3、2 设计变量初始估算

3、2、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：33OUTMIN G T V V V =-=0.5V ），而MN1、

MN2管随着输入电流in I 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120.252

OUTMIN

DS DS V V V V ===。为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)

222DS GS T V V V ≥-

22

OUTMIN DS V

V ⇔

≤=

626222

22210010(/)26123.010/0.25()

2

INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯B ,

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。 3、2、2 确定(W/L)3、（W/L ）4

从MN3管3GS V 的角度来考虑问题，当in I ＝100UA 时，为了使MN2管工作在临界饱和区，3GS V 的电压降不可以过大，即：

332

OUTMIN

GS G V V V ≤-

又MN3管工作于临界饱和区，则：

3332

OUTMIN

GS D T V V V V ⇔≤+-

332

OUTMIN T OUTMIN T V

V V V ⇔≤+-

2

OUTMIN V

⇔

636222

22210010(/)26123.010/0.25()

2

INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯B

为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。 3、2、3确定(W/L)B

为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=1 3、2、4确定IB

在确定IB 前要先计算3T V ,根据衬偏效应可以得到

:

1/2300.64310.630.72T TN V V V V V

γ=+=+B

因为MN3工作在临界饱和区，所以：

333G D T V V V =+

又MNB 管工作于MOS 二极管状态：

3G DSB GSB TB V V V V ===+

231

()(/)2G TB B B IB V V KP W L ⇒=-

2331

()(/)2D T TB B B IB V V V KP W L ⇒=+-

2301

()(/)2

OUTMIN T TN N B IB V V V KP W L ⇒=+-

2620.5(0.50.720.6431)123.010/120IB V V V A V UA -⇒=⨯+-⨯⨯⨯B

3、2、5 确定沟道长度L

对沟道长度的约束有： 1．out r

233332311()(1)out ds ds m mb m OUT OUT r r r g g g I I ηλλ+=

+=

+

B

一定的OUT I 下，要使out r 较大，则λ要取较小的值，即L 要取较大的值。 2．短沟效应，要求L 取较大的值。 3．沟道调制效应，要求L 取较大的值。 4．匹配性，要求L 取较大的值。 5．可生产性，要求L 取较规整的值。 6．寄生性，要求L 取较小的值。

7．最小的版图面积，要求L 取的较小的值。 8．工业界的经验要求：L>=5倍的特征尺寸。 综上所述，版图设计中取3L uM = 3、2、6 验证直流工作点

1. MNB ：二极管连接确保它工作于饱和区。

2. MN3：工作于临界饱和工作区。

3. MN1、MN2：当100IN I uA =,它们工作于临界饱和区；当IN I 减小时，12GS V 、减小且12

DS V 、增大，使它 们工作在过饱和区。

4. MN4：要使MN4管工作于饱和区，则：

444ds gs T V V V >- 444d g T V V V ⇔>-

134gs OUTMIN T V V VT V ⇔>+-

1T OUTMIN V V V ⇔+∆>

而10.6431,0.5T OUTMIN V V V V ==,显然上式成立。即MN4工作于饱和区。 3、 3 HSPICE 仿真验证

3、3、1旨在调整设计变量的仿真： 1、电路拓扑结构节点命名：