集成電路設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目教程Agenda項(xiàng)目1集成電路設(shè)計(jì)認(rèn)知項(xiàng)目2MOS晶體管認(rèn)知項(xiàng)目3CMOS反相器設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目4靜態(tài)組合邏輯門設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目5時(shí)序邏輯門設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目6動(dòng)態(tài)邏輯門設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目8單管放大器設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目9運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)與仿真項(xiàng)目10電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23011.1基本電流鏡結(jié)構(gòu)1.2比例電流鏡工作原理1.3電流鏡計(jì)算基本電流鏡理論4.1電壓偏置電路4.2偏置電路應(yīng)用04偏置電路2.1電阻設(shè)置電流鏡偏置電路2.2有源電阻設(shè)置電流鏡偏置電路2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路3.1簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡電路3.2低壓共源共柵電流鏡電路3.3低壓共源共柵電流鏡拓展電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/231.1基本電流鏡結(jié)構(gòu)01基本電流鏡理論（1）NMOS晶體管電流鏡右圖所示為一個(gè)基本NMOS晶體管組成的電流鏡電路，鏡像電路的關(guān)鍵就是NMOS晶體管MN1和MN2的尺寸（溝道長(zhǎng)度和溝道寬度）相等，此時(shí)，VGS1=VDS1=VGS2。因?yàn)閮蓚€(gè)NMOS晶體管MN1和MN2的柵源電壓相等，那么這兩個(gè)晶體管的漏極電流相等。如果晶體管MN1電流通道的參考電流為IREF，那么就可以實(shí)現(xiàn)電流鏡像，MN2電流通道的鏡像電流為IMIRROR，即：IMIRROR=IREF?；綨MOS晶體管電流鏡電路（2）PMOS晶體管電流鏡右圖所示為一個(gè)基本PMOS晶體管組成的電流鏡電路，PMOS晶體管MP1和MP2的尺寸相等，此時(shí)，VGS1=VDS1=VGS2。兩個(gè)PMOS晶體管MP1和MP2的柵源電壓相等，那么這兩個(gè)晶體管的漏極電流相等。晶體管MP1電流通道的參考電流為IREF，那么MP2電流通道的鏡像電流為IMIRROR，即：IMIRROR=IREF。項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23基本PMOS晶體管電流鏡電路1.2比例電流鏡工作原理01基本電流鏡理論圖中所示為一個(gè)NMOS晶體管組成的比例電流鏡電路。比例電流鏡項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23NMOS晶體管比例鏡像電路的輸出電流IOUT與參考電流IREF的比值取決于這兩個(gè)晶體管的寬長(zhǎng)比。PMOS晶體管比例鏡像公式與NMOS晶體管比例鏡像公式一樣。工作原理：1.3電流鏡計(jì)算01基本電流鏡理論（1）比例電流鏡計(jì)算如圖所示為NMOS晶體管比例電流鏡電路，參考電流IREF=10μA，NMOS晶體管MN1的寬長(zhǎng)比為10/1、MN2的寬長(zhǎng)比為20/1、MN3的寬長(zhǎng)比為50/1、MN4的寬長(zhǎng)比為10/2。說(shuō)明：本書(shū)中所涉及MOS晶體管的寬長(zhǎng)比即為真實(shí)尺寸，單位為μm。如寬長(zhǎng)比為10/1，即：寬度為10μm，長(zhǎng)度為1μm。根據(jù)比例鏡像公式可以計(jì)算出晶體管MN2的漏極電流IOUT2為20μA、MN3的漏極電流IOUT3為50μA、MN4的漏極電流IOUT4為5μA。NMOS晶體管比例電流鏡項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/231.3電流鏡計(jì)算01基本電流鏡理論（2）電流鏡設(shè)計(jì)1）NMOS晶體管電流鏡。如圖所示為一個(gè)電流鏡電路，電源電壓VDD=1.8V，NMOS晶體管MN1和MN2的寬長(zhǎng)比都為10/1。NMOS電流鏡設(shè)計(jì)電路圖項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23MOS晶體管參數(shù)如表所示。忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，現(xiàn)在要求輸出漏極電流IOUT=40μA，計(jì)算參考基準(zhǔn)電流IREF和電阻R的值。NMOSPMOSVTHN0.419VVTHP-0.424VμnCOX=KPN242μA/V2μpCOX=KPP58μA/V2首先根據(jù)比例電流鏡公式，可知IREF=40μA。在參考電流IREF通道上，有電阻R和NMOS晶體管MN1構(gòu)成的有源電阻串聯(lián)組成，根據(jù)歐姆定律可知，有式：MOS晶體管參數(shù)再根據(jù)NMOS晶體管漏極電流方程有式：根據(jù)前面兩個(gè)方程式和可求出電阻R的值約為30KΩ，VGS1=0.6V。1.3電流鏡計(jì)算01基本電流鏡理論（2）電流鏡設(shè)計(jì)2）PMOS晶體管電流鏡。如圖所示為一個(gè)電流鏡電路，電源電壓VDD=1.8V，PMOS晶體管MP1和MP2的寬長(zhǎng)比都為10/1。PMOS電流鏡設(shè)計(jì)電路圖項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23MOS晶體管參數(shù)如表所示。忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，現(xiàn)在要求輸出漏極電流IOUT=40μA，計(jì)算參考基準(zhǔn)電流IREF和電阻R的值。NMOSPMOSVTHN0.419VVTHP-0.424VμnCOX=KPN242μA/V2μpCOX=KPP58μA/V2首先根據(jù)比例電流鏡公式，可知IREF=40μA。在參考電流IREF通道上，有電阻R和PMOS晶體管MP1構(gòu)成的有源電阻串聯(lián)組成，根據(jù)歐姆定律可知，有式：MOS晶體管參數(shù)再根據(jù)PMOS晶體管漏極電流方程有式：根據(jù)前面兩個(gè)方程式和可求出電阻R的值約為20KΩ。2.1電阻設(shè)置電流鏡偏置電路02電流鏡偏置電路電流鏡的參考基準(zhǔn)電流可以用電阻來(lái)設(shè)置，如圖（a）所示為一個(gè)電阻設(shè)置電流鏡偏置電路，這個(gè)電路存在一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)電源電壓VDD變化時(shí)，基準(zhǔn)電流也會(huì)隨著VDD的變化而變化，不能保持恒定的電流，如圖（b）所示為仿真圖。項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23電阻設(shè)置電流鏡偏置電路在圖中，如果使用一個(gè)40μA恒流源替代30KΩ的電阻，那么輸出電流IOUT基本保持恒定。由此可見(jiàn)，電阻設(shè)置電流鏡偏置電路，輸出電流會(huì)隨著電源電壓的變化而變化。2.2有源電阻設(shè)置電流鏡偏置電路02電流鏡偏置電路電流鏡的參考基準(zhǔn)電流也可以用有源電阻來(lái)設(shè)置。如圖（a）所示為一個(gè)NMOS晶體管MN1柵漏短接構(gòu)成有源電阻來(lái)設(shè)置電流鏡偏置電路；如圖（b）所示為一個(gè)PMOS晶體管MP1柵漏短接構(gòu)成有源電阻來(lái)設(shè)置電流鏡偏置電路。項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23有源電阻設(shè)置電流鏡偏置電路有源電阻設(shè)置偏置基準(zhǔn)電流也存在一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)電源電壓VDD變化時(shí)，基準(zhǔn)電流也會(huì)隨著VDD的變化而變化，不能保持恒定的電流，如圖所示為仿真圖。2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路（1）工作原理電阻和有源電阻作為基準(zhǔn)設(shè)置電流鏡偏置電路，它們的輸出基準(zhǔn)電流都存在隨電源電壓變化而變化的問(wèn)題，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流與電源電壓無(wú)關(guān)。如圖所示為一個(gè)電源電壓無(wú)關(guān)的自偏置電流基準(zhǔn)電路，

它的工作原理敘述如下：項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23自偏置電流基準(zhǔn)電路NMOS晶體管MN1、MN3組成電流鏡電路，要使得NMOS晶體管MN2也可以鏡像MN1的參考電流IREF，增加PMOS晶體管MP1、MP2構(gòu)成的電流鏡電路，強(qiáng)迫使流過(guò)MN1和MN2的漏極電流相等都為IREF。這種電路結(jié)構(gòu)稱為自偏置結(jié)構(gòu)。2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路（1）工作原理：項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23自偏置電流基準(zhǔn)電路2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路（1）工作原理：項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23自偏置電流基準(zhǔn)電路2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路（1）工作原理：項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23自偏置電流基準(zhǔn)電路由式（7.15）可知，基準(zhǔn)電流IREF與電源電壓VDD無(wú)關(guān)。當(dāng)K=4時(shí)，即：晶體管MN2寬度W2是晶體管MN1寬度W1的4倍，電流IREF=40μA、晶體管MN1寬長(zhǎng)比為10/1時(shí)，可計(jì)算出電阻R=2.1KΩ。這個(gè)電路稱為β倍增（BetaMultiplier）基準(zhǔn)電路。2.3自偏置電流基準(zhǔn)電路02電流鏡偏置電路（2）啟動(dòng)電路自偏置電路有一個(gè)缺點(diǎn)：在電路上電工作的時(shí)候，有可能所有的晶體管沒(méi)有導(dǎo)通，電路工作進(jìn)入不了飽和區(qū)，電路中沒(méi)有電流。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)電路，使自偏置電路可以正常工作。如圖所示為一個(gè)帶有啟動(dòng)電路的自偏置電流基準(zhǔn)電路，虛線框中為啟動(dòng)電路。項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23帶有啟動(dòng)電路的自偏置電流基準(zhǔn)電路工作過(guò)程敘述如下：當(dāng)自偏置電流基準(zhǔn)電路中沒(méi)有電流時(shí)，NMOS晶體管MN3不導(dǎo)通，PMOS晶體管MP3柵漏短接作為有源電阻，因此MP3的漏源電壓為VDD，即NMOS晶體MN4的柵極為VDD，MN4導(dǎo)通，電流從VDD經(jīng)過(guò)PMOS晶體管MP1，流過(guò)MN4，進(jìn)入自偏置電流基準(zhǔn)主電路，啟動(dòng)完成。一旦啟動(dòng)完成，NMOS晶體管MN3導(dǎo)通，MP3有源電阻與MN3導(dǎo)通電阻分壓值很小，接近“0”。這個(gè)小電壓使MN4不導(dǎo)通，從而斷開(kāi)與主電路的聯(lián)系，啟動(dòng)結(jié)束。把自偏置電流基準(zhǔn)電路封裝成一個(gè)Symbol，方面后面電路調(diào)用。3.1簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡電路03共源共柵電流鏡電路理想電流源的輸出電阻應(yīng)該是無(wú)窮大，單個(gè)MOS晶體管的輸出電阻為KΩ-MΩ級(jí)別，為了增大電流源輸出電阻，采用共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡電路，其輸出電阻可以增大很多。如圖所示為共源共柵電流鏡電路，NMOS晶體管MN1和MN2組成的電流鏡與對(duì)應(yīng)NMOS晶體管MN3和MN4組成的電流鏡以共源共柵結(jié)構(gòu)串聯(lián)。輸出電流IOUT仍然由電流鏡MN1和MN2的柵源電壓VGS1確定。自偏置基準(zhǔn)電路輸出VBIASP=1.2V、鏡像電流IREF=40μA。

項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23共源共柵電流鏡電路3.2低壓共源共柵電流鏡電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23共源共柵電流鏡節(jié)點(diǎn)電壓3.2低壓共源共柵電流鏡電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23低壓輸出分析3.2低壓共源共柵電流鏡電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23低壓共源共柵電流鏡3.3低壓共源共柵電流鏡拓展電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23Stack共源共柵電流鏡（1）StackMOS結(jié)構(gòu)共源共柵電流鏡電流鏡為了達(dá)到優(yōu)秀的晶體管匹配效果，共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡常采用如圖所示結(jié)構(gòu)。NMOS晶體管MN1和MN3串聯(lián)（Stack）替代一個(gè)NMOS晶體管，晶體管MN1和MN3分別與晶體管MN2和MN4對(duì)應(yīng)匹配。3.3低壓共源共柵電流鏡拓展電路03共源共柵電流鏡電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23自偏置共源共柵電流鏡（2）自偏置共源共柵電流鏡常用的低壓共源共柵電流鏡電路另一種電路可以采用自偏置結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，電路中串聯(lián)電阻R，電阻兩端的電壓分別作為共源共柵電流鏡NMOS晶體管MN2、MN4的偏置電壓。電阻易受工藝制造偏差的影響，因此，改為MOS晶體管有源電阻如圖（b）所示。4.1電壓偏置電路04偏置電路項(xiàng)目7電流鏡設(shè)計(jì)與仿真2025/7/23典型的偏置電路模擬電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常要用到電壓偏置電路，本書(shū)中的偏置電路如圖所示。偏置電路由自偏置基準(zhǔn)電流電路和低壓共源共柵電路構(gòu)成，自偏置基準(zhǔn)產(chǎn)生一個(gè)