威尔逊恒流源设计

《集成电路CAD》课程设计报告班级：xxxxxxxxxx学号：xxxxxxxxxx姓名：xxxxxxx指导教师：xxxx1一、设计要求威尔逊恒流源电路版图设计二、设计目的集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流镜电路，为各级提供合适的静态电流；或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高放大电路的放大能力。本设计通过对基本电流镜的改进，设计改进型电流源—威尔逊电流源。三、设计的具体实现a)镜像电流源图1为基于三极管的镜像电流源电路，它由两只特性完全相同的管子T0和T1构成由于T0的管压降Uceo与其b-e之间电压Ubeo相等，从而保证T0工作在放大状态，而不可能进入饱和状态，故其集电极电流。T0和T1的b-e间电压相等，故它们的基电流==，而由于电流放大系数，故集电极电流。可见，由于电路的这种特殊接法，使和呈镜像关系，故称此电路为镜像电流源。为输出电流。电阻R中的电流为基准电流，其表达式为：所以集电极电流当时，输出电流图1集成运放中纵向晶体管的β均在百倍以上，因而上式成立。当Vcc和R的数值一定时，也就随之确定。镜像电流具有一定的温度补偿作用，简述如下：温度上升时增大，增大，使增大，（）增大减小，减小减小。2当温度降低时，电流、电压的变化与上述过程相反，因此提高了输出电流的稳定性。镜像电流源电路简单，应用广泛。但是，在电源电压一定的情况下，若要求较大，根据式，势必增大，R的功耗也就增大这是集成电路中应当避免的；若要求很小，则的数值必然很大，这在集成电路中是很难做到的。因此，就派生了其他类型的电流源，威尔逊电流源就是通过改进设计的一种。b)威尔逊电流源图2为基于PNP管的威尔逊电流源电路，为输出电流。T1管c-e串联在T2管的发射极，其作用与典型工作点稳定电路中的Re相同。因为c-e间等效电阻非常大，所以可使Ic2高度稳定。图中T0、T1和T2管的特性完全相同，因而，。根据各管的电流可知，A点的电流方程为所以在B点图2整理可得（）当β=10时，，可见，在β很小时也可以为，受基极电流影响很小。c)基于NMOS的基本电流镜NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如图3所示。考虑沟道长度调制效应的晶体管饱和区电流方程：3()()()M1管的栅源相接，知VGS=VdS,有VGS-VT1VdS器件M1一定工作在饱和区。如果给M2提供合适的偏置电压，使其也工作在饱和区则有图3)1(2112111111dstgsoxoxdsVVVLWtI)1(212222222dstgsoxoxdsVVVLWtI假定两个管子的材料一样，且阀值电压一样，则)1()/()1()/(11220dsdsrVLWVLWII只要选择好两个管的栅级宽长比，就可实现输出电流I0与输入电流Ir按比例输出。当忽略了沟道调制效应时，参考电流Ir和输出电流I0的关系为120)/()/(LWLWIIrd)基于NMOS的威尔逊电流源NMOS基本电流镜因为沟道长度调制效应的作用，交流输出电阻变小。从电路理论可知，采用串联负反馈也可以提高电路的输出电阻。威尔逊电流镜正是这样的结构。VSSIrIoM1M24与NMOS基本电流镜相比，威尔逊电流镜的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于基本电流镜。提高输出电阻的基本原理是M1的源极是M2形成的串联电流负反馈。电路中M2在相当于串联有源电阻，构成串联电流负反馈；I0↑→VGS2↑→VGS3=VDD—VGS2↓→I0↓→I0趋于恒流。右图中，由于VDS1=VGS3+VGS2，而VGS1=VGS2，所以：VDS1VGS1，因此M1一定工作在饱和区，所以根据饱和萨氏方程可得：)1()1()()(1212DSDSRoVVLWLWII由于VDS2＝VGS2，VDS1=VGS2＋VGS3，即VDS1≠VDS2，所以在这种电流源中，Io/IR的值不仅与M1、M2的几何尺寸相关，还取决于VGS2与VGS3的值。图4根据交流小信号等效电路，可求出电路的输出阻抗。忽略M3的衬偏效应，则有：2222313133/11/1dsmdsmmdsmmdsdsorgrggrggrrr假定gm1=gm2=gm3，且gm1rds11，则上式可简化为：113dsmdsorgrre)改进型威尔逊电流源与基本电流镜结构相比，威尔逊电流源具有更大的输出阻抗，所以其恒流特性得到了很大的提高，且只采用了三个MOS管，结构简单，并可应用在亚阈值区。但是图4中M3与M2的漏源电压仍不相同，因此提出了一种改进型的威尔逊电流源，如图5所示。改进型威尔逊电流镜中，M4晶体管构成的有源电阻“消耗”了一个VGS，使M1、M2的源漏电压VDS相等。这样，IR与I0以一个几乎不变的比例存在。M3IRM1M2IoM4VDD5图5图5中引入了二极管连接的MOS管M4。根据饱和萨氏方程，Io/IR的表达式与上式相同，且有：VDS1＝VGS2＋VGS3－VGS4。设定VGS3＝VGS4，则有VDS1＝VGS2=VDS2，则有：12)()(LWLWIIRo上式表明，该结构很好消除了沟道调制效应，是一精确的比例电流源。而且只需四个MOS管就可实现，因此有较广泛的应用。这种结构也可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。而要达到VGS4=VGS3，根据饱和萨氏方程可以得到其条件为：1243)/()/()/()/(LWLWLWLW四、版图设计以及DRC校验Cadence平台中绘制版图的步骤①输入icfb&启动cadence②启动LayoutEditor，在命令解释窗口CIW中，选择File→Open，设置如下：LibraryNameinvCellNameinvViewNamelayout2点击OK，打开design的空白窗口以及LSW窗口。③浏览inv版图设计窗口，最顶部显示为：VirtuosoLayoutEditing：invinvlayout2，显示当前编辑的版图名称。④顶部第二行状态栏（StatusBar）以红色显示x与y的坐标，在编辑中，常常需要位置的准确量度，坐标精度为0.1um。⑤顶部第三行以红色显示菜单栏（Menu），从左到右为：Tools（工具）、Edit（编辑）、Route（布线）等。⑥窗口左侧为常用命令的快捷方式图标栏（IconBar），从上到下为：检查并存档（CheckandSave）、Delete（删除）、ruler（标尺）等。⑦选择菜单栏命令或者点击快捷图标，又或按盲键都可实现对版图的编辑，lab7将设计nmos管版图。⑧LSW窗口直接关系到版图的设计，从lab6开始，以后的实验中将经常使用LSW，此处从略。⑨存档，关闭所有窗口。6改进型威尔逊电流源版图7DRC验证五、结论与展望本次课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，掌握集成电路CAD设计的一般方法，根据题目要求选择设计方案。学会使用cadence软件对版图进行设计、分析和DRC验证，能够以cadence软件为基础设计功能完整的电路版图。并根据电路设计和计算，绘制版图。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。千里之行始于足下，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。本次的设计基本上能够完成基本的功能，但是还有不足之处。比如在没有设计到版图所能实现的最小体尺寸。另外，对电路的可靠性，功耗等没有具体的验证，但是希望在以后的学习之中，通过知识的积累和经验的增长能够在设计上不断的完善，让设计更加的完美和可靠。8六、参考文献1.童诗白华成英·模拟电子技术基础（第四版）·高等教育出版社·2012年3月2.（美）拉扎维·模拟CMOS集成电路设计·西安交通大学出版社·2003年2月3.曾庆贵姜玉稀·集成电路版图设计教程·上海科学技术出版社·2012年3月