改进型共源共栅电流镜设计报告

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1、前言：本文谨献给有共同兴趣爱好的同学们，以互相讨论共同进步。由于本人是初学者，文中难免有误，真诚希望同学和前辈们批评指正；在设计过程中走过不少弯路，深知其中的困难，为了共同的提高，兹特共享此文。真诚期待喜欢模拟又切实投入时间探讨的同学加为好友：wangqq05377@szcie.pku.edu.cn改进型共源共栅电流镜设计报告Author:WANGQQ【摘要】：本文力图严谨、细致和全面地把一个典型的电流镜设计过程呈现给读者，该文探讨的是改进过的低输出电压高输出电阻的电流镜设计。【关键字】：共源共栅、高输出电阻、低输出电压一．边界条件1.1工艺规范(1)硅晶体的一些常数硅带隙1.2

2、05V(300K)波尔兹曼常数1.38e-23J/K本征载流子浓度(@300K)1.45e10真空介电常数8.85e-14F/cm硅介电常数1.05e-12F/cm二氧化硅介电常数3.5e-13F/cm电子电荷1.6e-19C(2)制造工艺0.5umCOMSN_WELL3metal1poly(3)SPICELEVEL1COMS体工艺模型参数MOSFETN_channelP_channel阈值电压0.6431V-0.6614V本征导电因子(跨导参数)KP123e-637.9e-6体效应因子0.630.67强反型层表面势垒(@300K)0.83V0.84V【注】：由于晶圆制造厂商提供

3、BSIM3V3的MOS模型，而没有直接提供以上设计参数，它们是根据BSIM3V3用户手册推荐的公式并利用晶圆制造厂商提供的BSIM3V3MOS器件模型参数计算出来的，其实这些公式可以从《半导体器件物理》中得到，兹将这些公式和BSIM3V3器件模型参数罗列如下：计算公式，，MOSFETN_channelP_channel0.6431V-0.6614V阈值电压0．038660．0117栅氧化层厚度1.1e-0081.08e-008沟道掺杂浓度1.2-6e+0171.4032e+017沟道调制系数1.83439552.1465001(1)MOS器件的电容值和系数（由于以下计算过程没有用

4、到，暂时不再罗列）1.2电源电压MIN：4.5V；TYP：5.0V；MAX：5.5V1.3工作温度MIN：0；TYP：27；MAX：100二．设计指标2.1电流比1：12.2输出电压最小值0.5V2.3输出电流变化范围5～100UA二．确定电路拓扑结构设计选择的电路拓扑结构如下图所示：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

5、低（）3.小信号输出电阻高（）4.输出端最小工作电压低（）三．设计变量初始估算4.1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：=0.5V），而MN1、MN2管随着输入电流从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。(【注】：***********************************************************************************其实也可

6、以采用别的设计方案，比如：在＝100UA且时，令MN2、MN3同时工作在临界饱和区，则：，为了使版图面积最小化，令，则：，……，后续的计算和刚开始讨论的方案类似，读者可以自己展开。）*******************************************************************************************以下我们再回到刚开头讨论的方案，为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算),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。4.2确定(W/L)3

7、、（W/L）4从MN3管的角度来考虑问题，当＝100UA时，为了使MN2管工作在临界饱和区，的电压降不可以过大，即：又MN3管工作于临界饱和区，则：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。4.3确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=14.4确定IB在确定IB前要先计算,根据衬偏效应可以得到:因为MN3工作在临界饱和区，所以：又MNB管工作于MOS二极管状态：4.5确定沟道长度L对沟道长度的约束