1、模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)-與電源無關(guān)的電流源課程設(shè)計(jì)院系：電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子09-2 姓名：王艷強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：李書艷8摘要模擬電路廣泛的包含電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)是直流量，它與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小，但與溫度的關(guān)系是確定的。而與溫度關(guān)系很小的電壓基準(zhǔn)被證實(shí)在許多模擬電路中是必不可少的。值得注意的是，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工藝參數(shù)是隨溫度變化的，所以如果一個(gè)基準(zhǔn)是與溫度無關(guān)的，那么通常它也是與工藝無關(guān)的。采用Hspice軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明了基準(zhǔn)源具有低溫度系數(shù)和高電源抑制比。關(guān)鍵詞：CMOS集成電路；帶隙基準(zhǔn)；偏置；溫度系數(shù)；仿真；工藝綜述 我們所使用的偏置電流和電流鏡都

2、隱含地假設(shè)可以得到一個(gè)“理想的”基準(zhǔn)電流，如果忽略一些管子的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)時(shí)電流就可以保持與電源電壓無關(guān)。電壓基準(zhǔn)源是指在模擬電路或混合信號(hào)電路中用作電壓基準(zhǔn)的具有相對(duì)較高精度和穩(wěn)定的參考電壓源。它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜化，對(duì)模擬電路基本模塊，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器以及鎖相環(huán)等電路提出了更高的精度和速度要求，這樣也意味著系統(tǒng)對(duì)其中的電壓基準(zhǔn)源模塊提出了更高的要求。另外，電壓基準(zhǔn)源是電壓穩(wěn)壓器中的一個(gè)關(guān)鍵電路單元，它也是DC-DC轉(zhuǎn)換器中不可缺少的組成部分；在各種要求較高精度的電壓表、歐姆表、電流表等儀器中都需要電壓基準(zhǔn)源。

3、微電子技術(shù)不斷發(fā)展，目前常用的集成電路工藝大體上可分為雙極型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大類型。其中，雙極型工藝是集成電路中最早成熟的工藝，CMOS工藝技術(shù)是在PMOS與NMOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當(dāng)代VLSI（超大規(guī)模集成電路）工藝的主流工藝技術(shù)。雙極型集成電路具有較快的器件速度，適合高速電路設(shè)計(jì)，但相對(duì)來說，器件功耗較大；而CMOS電路具有功耗低、器件面積小、集成密度大的優(yōu)點(diǎn)，但是器件速度較低。BiCMOS技術(shù)增強(qiáng)了在CMOS技術(shù)提供的雙極型晶體管的性能，這使其在模擬電路設(shè)計(jì)中具有潛力。由于CMOS工藝中“按比例縮小理論”的不斷發(fā)展，器件尺寸

4、按比例縮小使得CMOS電路的工作速度得到不斷地提高，在模擬集成電路的設(shè)計(jì)中CMOS技術(shù)逐漸可以與雙極型技術(shù)抗衡。近年來，模擬集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)隨著CMOS工藝技術(shù)以其得到飛速的發(fā)展，片上系統(tǒng)已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界及工業(yè)界廣泛關(guān)注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工藝的特點(diǎn)正好符合了這種需求，因此，用CMOS技術(shù)來設(shè)計(jì)電路越來越成為集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)計(jì)過程1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)為了避免基準(zhǔn)源工作在不必要的零點(diǎn)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了啟動(dòng)電路由于帶隙基準(zhǔn)源存在兩個(gè)電路平衡點(diǎn)，即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)。當(dāng)基準(zhǔn)源工作在零點(diǎn)時(shí)，基準(zhǔn)源沒有電流產(chǎn)生?；跀?shù)字電路設(shè)計(jì)中的上電復(fù)位原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了啟動(dòng)電路。當(dāng)電

5、路上電時(shí)，通過電容C的充放電及N2管的導(dǎo)通，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。通過P1和N1組成的反相器，使N2管完全截止，電壓回落在穩(wěn)定的工作點(diǎn)上，基準(zhǔn)源開始正常工作。1.2 IPTAT產(chǎn)生電路這塊部分電路我們是按照傳統(tǒng)基準(zhǔn)源電路原理設(shè)計(jì)的。1.3 帶鏡像電流源負(fù)載的差分放大電路在傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源電路中，必須設(shè)計(jì)低失調(diào)的運(yùn)算放大器，以保證電路工作于深反饋狀態(tài)，輸出穩(wěn)定的參考電路。但在深亞微米的低電壓電源條件下，運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)困難，更難控制運(yùn)放的失調(diào)電壓。參考資料中采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了低壓帶隙基準(zhǔn)源，但是差分放大器的差分對(duì)管是采用耗盡型NMOS管設(shè)計(jì)的。由于參考電壓源的工作原理是電流反饋，所以我們改變傳

6、統(tǒng)基于運(yùn)放的電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)方法，采用電流鏡負(fù)載的差分放大器實(shí)現(xiàn)了電壓基準(zhǔn)源的低電源電壓設(shè)計(jì)。1.4 輸出的二次分壓第二級(jí)放大電路基于電阻二次分壓技術(shù)調(diào)整參考電壓輸出范圍，實(shí)現(xiàn)可配置的參考輸出電壓。2 主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo)2.1按照題目要求，計(jì)算出電路各器件的尺寸。電路穩(wěn)定工作時(shí)，有推導(dǎo)可得：其中，為流過BJT 的發(fā)射極電流。2.2 根據(jù)溫漂計(jì)算由要盡量小，則由，其他均為常數(shù)，可推導(dǎo)得2.3根據(jù)靜態(tài)功耗計(jì)算由已知指標(biāo)，靜態(tài)功耗盡可能小初設(shè)靜態(tài)功耗300uW初設(shè)工作電壓Vdd =1.2V由則則又由得2.4啟動(dòng)電路器件尺寸由于電容C的主要作用是上電瞬間的充放電，對(duì)電容值的精度沒有較高要求故電容C取

7、值20pf。分析各支路電流，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)電路中的P1和N1組成的反向器的漏電流影響較大，所以只要降低P1和N1的支路電流，就可以實(shí)現(xiàn)低功耗，其中改變支路的等效電阻是降低功耗的直接有效方法。通過在P1的源極與電源VDD之間串聯(lián)一個(gè)W/L很小的PMOS晶體管，可使整個(gè)基準(zhǔn)源電路的功耗很大程度上減低。故取 2.5 IPTAT產(chǎn)生電路器件尺寸為得到低功耗，將P2、P3 的W/L比取小一些，降低跨導(dǎo)取 由 則2.6 帶鏡像電流源的差分放大電路的器件尺寸根據(jù)參考資料中的帶鏡像電流源的差分放大電路的參數(shù)，取 2.7 二次分壓的第二級(jí)放大電路器件尺寸根據(jù)MOS管的輸出增益， 由 0.18um 工藝庫里面的參數(shù)計(jì)算

8、得3 參數(shù)驗(yàn)證（手工推導(dǎo)）3.1 溫漂計(jì)算3.2 輸出電壓計(jì)算3.3 靜態(tài)功耗3.4 電源抑制比因電源抑制比主要由差分放大電路的共模抑制比決定，故 4 電路仿真4.1 用于仿真的電路圖注意繪制成層次化的電路。即將原設(shè)計(jì)電路做一個(gè)Symble。 啟動(dòng)電路IPTAT產(chǎn)生電路差分放大電路二次分壓電路4.2仿真波形4.2.1輸出電壓-溫度 曲線結(jié)論：l 溫度從0C100C變化時(shí)，輸出電壓的變化范圍為721.4mv723.4mv，變化量為2mv，故仿真得到的溫漂為27.66ppm/Cl 輸出電壓在0C和100C時(shí)相同，在40C45C之間達(dá)到最大4.2.2電源抑制比-頻率 曲線結(jié)論：當(dāng)電源幅值為1V，頻率

9、從1Hz100Hz變化時(shí)，輸出電壓的變化范圍為1.484mv1.512mv，在100Hz的時(shí)候，輸出電壓為1.512mv，故電源抑制比為-56.48dB4.2.3靜態(tài)功耗-時(shí)間 曲線結(jié)論：l 工作電壓為1.2V時(shí)，0200ns靜態(tài)功耗恒為76.79uW不足之處1：只有溫漂沒有達(dá)到計(jì)算要求（但設(shè)計(jì)指標(biāo)是滿足的）。不足原因：1、計(jì)算誤差、理論誤差以及電路級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的影響。2、在放大過程中，失調(diào)電壓也同時(shí)被放大，在輸出電壓中引入了誤差，同時(shí)失調(diào)電壓本身隨溫度變化，增大了輸出電壓的溫度系數(shù)。努力方向：可以采用大尺寸的MOS管進(jìn)行合理的版圖布局來降低失調(diào)。 不足之處2：工作電壓從1V4.5V變化時(shí)，輸出電

10、壓非常穩(wěn)定，但是它對(duì)于時(shí)下仍然使用的5v和12v標(biāo)準(zhǔn)工作電壓不適用。不足原因：由于我們?cè)O(shè)計(jì)的電路是分模塊設(shè)計(jì)的，雖然局部盡量?jī)?yōu)化，但是在級(jí)聯(lián)過程中，由于各個(gè)模塊之間的等效閾值電壓不匹配，導(dǎo)致最后的工作電壓范圍受限。努力方向：還要繼續(xù)加深對(duì)電路整體的把握，使得電路參數(shù)對(duì)整體最優(yōu)。國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)：近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的電壓基準(zhǔn)源作了大量的研究，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文，其中的技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。（1） 低電壓工作的基準(zhǔn)電壓源SOC的主流工藝是CMOS工藝，目前，5v、3.3v、1.8v、1.5v、1.2v、0.9v等的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。隨著手提設(shè)備對(duì)低電源需求的

11、不斷增加，設(shè)計(jì)低壓工作的電壓基準(zhǔn)源成為當(dāng)前基準(zhǔn)源研究的熱點(diǎn)。由于傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)源的帶隙電壓為1.2v左右，所以，對(duì)于電源電壓低于1.2v的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)必須采用特殊的電路結(jié)構(gòu)，許多文獻(xiàn)都提出了輸出基準(zhǔn)電壓低于1.2v的電路結(jié)構(gòu)。采用這些電路結(jié)構(gòu)后主要的工作電壓限制通常來自于運(yùn)放的工作電壓，不同運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)和MOS管襯底效應(yīng)造成的高閥值電壓時(shí)限制工作電壓的主要因素。（2） 低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源、低溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)源對(duì)于要求精度高的應(yīng)用場(chǎng)合比較關(guān)鍵，比如說對(duì)于高精度的D/A、A/D結(jié)構(gòu)，高精度的電流源、電壓源等。對(duì)于普通的一階溫度補(bǔ)償?shù)膸督Y(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)一般在20-50ppm/c，因此，設(shè)計(jì)低溫

12、度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)源一般必須進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償。目前出現(xiàn)的高階補(bǔ)償技術(shù)包括二階曲線補(bǔ)償技術(shù)，指數(shù)曲線補(bǔ)償技術(shù)，線性化VBE技術(shù)，基于阻值比的溫度系數(shù)的曲線補(bǔ)償方法等。（3） 高電源抑制比的基準(zhǔn)電壓源在數(shù)?；旌霞呻娐分校娐房赡艽嬖诟叩母哳l噪聲和數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲對(duì)模擬電路產(chǎn)生信號(hào)干擾。在混合電路中，電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比性能。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中，使用運(yùn)放結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)，在直流頻率時(shí)的PSRR可達(dá)-110dB，在1MHz的PSRR達(dá)-70dB；而使用無運(yùn)放負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，在1kHz的PSRR為-95dB，在1MHz的PSRR為-40dB。（4） 低功耗的基準(zhǔn)電壓源低功耗

13、設(shè)計(jì)對(duì)于PDA、LAPTOP以及依靠電池工作的便攜設(shè)備等低電壓工作的手持設(shè)備具有非常重要的意義。低功耗電路可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。心得體會(huì)：1、 了解了CMOS模擬電路設(shè)計(jì)的基本方法及相關(guān)電路參數(shù)的限制，比如寬長(zhǎng)比、跨導(dǎo)、截面積等。2、 熟練掌握了用網(wǎng)表進(jìn)行電路描述和掃描仿真3、 熟練地掌握了Hspice的仿真和波形觀測(cè)4、 通過對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)，深入了解了溫度對(duì)于器件以及整個(gè)電路性能的影響。5、 了解了電路中模塊劃分的方法，學(xué)習(xí)了幾種很有用的電路模型，比如啟動(dòng)電路、帶鏡像電流源的差分放大電路另外，下面簡(jiǎn)單說一下在課程設(shè)計(jì)中使用相關(guān)軟件的心得。剛開始，我們最大的困惑就是對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓源、與電源無關(guān)的電流偏置以及Hspice的使用完全沒有概念，于是我們?nèi)シ诸^查閱資料。雖然我之前也對(duì)基準(zhǔn)電壓源有所了解，但也是看了數(shù)十篇論文和助教老師給我們的資料之后，才對(duì)我們要設(shè)計(jì)、仿真的對(duì)象