50nA高精确基准电流源.

福州大学至诚学院

《模拟集成电路课程设计》

设计报告

设计题目：50nA高精度基准电流源设计

组别：第五组

姓名：陈长毅

学号： 210991804

同组姓名：许金喜（210991842）

系别：至诚学院信息工程系

专业：微电子学

年级：2009级

指导老师：屈艾文

实验时间：第二周——第九周

一、设计目的

设计一个50nA高精度参考电流源（温度范围-40℃~125℃）。

基准电流源是指在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、A/D转换器、D/A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，然后输出给系统的其他模块。并且，基准电流源是模拟电路必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须有高质量、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到电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度等特性。所以为了确保到整个系统的精度和稳定性，我们必须引入一种输出基准电流高阶温度补偿的方法确保电流源的高精度。

二、设计内容

1、设计指标：

PSRR最大做到-30dB。温度系数最大做到1000ppm/C带启动电路的高精度基准电流源

2、MOS管参数的粗略估计；

3、电阻参数的估计；

三、设计原理和步骤

1、L DO中基准电流源的性能指标

（1）低电流：LDO由于具有低噪声、低功耗、结构简单以及封装尺寸较小的优点，在便携式电子产品中作为电源转换电路的搭配广泛的应用。对于低功耗的LDO设计来说，低静态电流的基准电流源具有相当重要的意义和作用。

（2）宽温度范围：该基准电流源的另一个重要指标是，电流基准在宽温度范围下的工作稳定程度。由于基准电流源LDO内部各个模块提供基准电流，因此，在基准电流源的工作范围内的稳定直接关系到整个芯片能否正常工作。

（3）

2、基准电流源工作原理

基准电流源的一个基本要求是输出基准电流不随电流电压V DD的变化而变化。为了得出一个对V DD不敏感的解决方法，要求基准电流I REF与输出电流I OUT 镜像，也就是说，I OUT是I REF的一个复制。图2-1所示就是一种电流复制的电路实现。其工作原理如下：

图2-1 基准电流源的工作原理

M1与M2构成一对电流镜结构，因为M1与M2具有相同的尺寸，所以I REF =I OUT 。但是由于电压V 的作用，M3与M4的V GS 不相等，我们假设M4的宽长比是M3的K 倍，由于V GS3=V GS4+V 即

34TH TH V V V =+

如果忽略体效应的影响，可得 V TH3=V TH4 从而

V =

因此

(/)2(1OUT

V nCox W L n

I =

μ 正如所希望的，电流与电源电压V DD 无关，但仍旧是工艺和温度的函数。为了消除输出基准电流对温度的影响，我们可以根据电压差V 产生的不同方式，

分别采取不同的温度补偿方法。

3、带启动电路的基准电流源的工作原理

图3-1带启动电路基准电流源的工作原理

注：正常工作时，M9关断，M7和M8支路消耗远远小于IREF的电流。

在之前的基准电流源中，是一个与电流源无关的偏置电路，所以会有一个“简并”偏置点的存在。当给晶体管上电时，所有的mos管均可以没有电流通过，因为在环路的两边的分支允许0电流，则他们可以无限期的保持关断。

所以我们弄了个启动电路，当电源给晶体管上电时mos管M8工作在线性区，不会进入关断状态，可视为电阻则M8管子的漏电位（V8_d），始终有个电位。在电路开启的瞬间（20us左右）V8_d会瞬间提高，则M10管子的删电位被拉高，源电位 V10_s下降 ,M0管子的漏电位也被拉高，则M4管子的删电位下降则M7管子当V7_gs

考虑到功耗我们不能让启动电路一直工作，我们必须把其关断，我们把M9管子关断就行了当M9删电位V9_g

所以我们调节管子M11跟M7管子的尺寸跟并联数就可以把M9的删电位拉低直到关断。首先我们先取个合适的尺寸:M7（5/15）、M10跟M11（4/10），然后调节M10与M11的并联数且要保持M10跟M11的宽长比要一样,用参数动态扫描为了考虑都实际的情况我们最终给了个合适的并联个数M7、M11管子并联数为15个。

由于M10与M11是电流镜结构所以我们尽量把面积做小，最终我们把M10、M11的尺寸定为（1/2.5）仿真结果也可以达到我们设计的目标。

注意：NMOS与PMOS的工艺库规定的尺寸的最大最小。

4、基准电流源结构的确定

要求设计的基准电流较小，是nA量级的。如果仍然采用图2-1所述的电路，而且其MOS管工作在饱和区，那么MOS管的管长比将是一个非常小的值（倒比管），所以芯片的面积会很大。为了得到纳安级的输出基准电流，设CMOS管工作在饱和区，如图4-1所示。

图4-1 饱和区工作状态的确定

在图4-1所示的电路中，用电阻Rs产生了源端的电压差V，即Rs两端的电压差V，即V=I OUT Rs，由于I REF=I OUT,可以得到

34TH TH OUT S V I R V =+

忽略体效应的影响，有

1OUT S I R =

因此

2211()OUT n OX S I C W L n R ? ?=μ

由上可知，得到了一个与电源电压VDD 无关的输出基准电流，其温度特性与电阻RS 和MOS 管的工作情况有关。

4 、MOS 管参数的粗略估计

为了得到输出基准电流为50nA 的基准电流源，要预先对各个MOS 管的宽长比做一下初步估计。

由我们采用的CSMC 公司0.5μmCMOS 混合模拟信号仿真库可以知道，PMOS 管和NMOS 管的参数可以估计如下：

35.9,42.5,750950,92/,270/T O THn THp OX OX V mV I fA V mA

V mA pC A V nC A V

ζ====-=μ=μμμ

由图4-1电路结构的确定可知，NMOS 管工作在饱和区，M4管的并联数一般取偶数（2、4、6、8等），在这里，取K=2. 由表达式

2211()OUT n OX S I C W L n R ? ?=

21()()2p OX GS THp P W

I C V V L

=μ-

可得M3和M4管的宽长比为(W/L)n=3/15；M1和M2管的宽长比为(W/L)p=6/15。

假设图4-1 M1的并联数为K1,M5的并联数为K5，由MOS 管参数的确定可知道，K1=2，K5=2，由公式

15ln 1ln 498T S T S V K I K

R K K V K R K k I K K ζ=

+ζ=≈Ω

+115

ln 1S T R V K K T T K K ??ζ=????+

11,1nwell rhr k

R nwell rhr k s

R R TC TC TC Rs R =+

最后可得 Rnwell=312K ，Rrhr1k=186K 。

四、设计器材

电脑（装有虚拟机）、cadence 软件、

加入2种库：

s05mixdtssa01v11.scs" section=tt ----MOSFET s05mixdtssa01v11.scs" section=restypical ----Resistor

五、电路图

注：图2-1，3-1，4-1中MOS 管的编号和图5-1中的不一样，后文电路仿真的MOS 管编号以图5-1为准。

图5-1

六、电路仿真（以管子Corner：tt ，电阻resslow 为例）

1、直流工作点的仿真

对各个管子进行dc扫描，扫描结果及管子的工作区域如下图：

图6-1 直流工作点

图6-2 各个管子的工作区域

从上面图中的具体数据可以得知，最下面的一排NMOS工作在饱和区，PMOS

管工作在饱和区，与最初的设置相同，静态电流也近似于50nA 。由工作区域的查看可以知道，最初的参数设置满足工作区域的要求。

2 、基准电流的PSRR 的仿真

设置PSRR 的输出公式。为了仿真方便，讲PSRR 的计算公式改为

120(((("/0/")/50)*1000000000))AC DC AC I I PSRR dB IF M D ==

其中，“IF ”表示求节点交流电流的函数。

对各个管子进行ac 扫描，扫描范围为0.01M~10M 。（VDD=5V Vdc=1V ）

图6-3 PSRR 输出的结果

注意修改管子参数时，要进行直流工作点的仿真，使各个MOS 管工作在合适的区域。PSRR 的提高对PMOS 管的栅长进行扫描；当PMOS 管的栅长增加时，PSRR 会增大，于是将PMOS 管的栅长选为15u 时能得到较好的PSRR 仿真结果。

3、基准电流的温度系数（PPM ）调整（温度范围：-40℃—125℃） PPM 的表达式为

000ppm /()/165*1000000MAX MIN

MEAM MAX MIN I I PPM I T T -=

?1000000-（℃）

=(ymax(IS("M /D"))-ymin(IS("M /D")))/average(IS("M /D"))

165是扫描的温度范围。扫描后的结果如下图：

图6-4 输出基准电流温度特性

之所以输出基准电流会出现弧形，是因为所使用的电阻具有二阶温度系数，造成了输出基准断流值与温度的关系是一个曲率基本固定的抛物线。在这种情况下，在一定温度范围内抛物线两端相等时，基准电流的温度系数达到最小。

最终得到的PPM=296.6u。

此外在仿真工艺角ff、fs、sf|、ss、的结果如下所示（电阻resslow为例）Corner：ff PPM=297.6u

Corner：fs PPM=296.1u

Corner：sf PPM=297.6u

Corner：ss PPM=296.9u

4带启动电路的基准电流源的仿真

对各个管子进行瞬态分析：tran：0—100u,电压（0-5 V）延时5us，上升时间10us,下降时间10us，Pulse width 100us

不同工艺角的仿真结果：

ff fs

七、个人总结

通过这次的实验，让我明白了如何去设计一个基准电流源。通过最初的计算

去估计各个MOS管的管子的尺寸，工作电压，在仿真的过程中，需要根据实际仿真模型不断进行调整，以达到最好的特性。在实际的工程中，可能回牺牲一些特性有达到特殊的目的，比如牺牲功耗，利用复杂电路一达到低温系数的目的等。除此之外，这次的实验让我原先学习的知识有了一次很好的应用，仿真出来的图形，也让我对知识点跟客观的去理解，其实对一些调试有时真的很难抉择，因此最好取折中的状态，还有对课本上的知识也进一步的深入理解，弥补了之前对课本一些模糊概念的理解，我们发了好多个晚上去调试各个管子的尺寸，进而接近我们想要的结果，也能够让我们对其工作原理的进一步理解，同时也有了一点点的小成就感。

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