威尔逊恒流源设计.doc

集成电路CAD课程设计报告一、 设计要求威尔逊恒流源电路幅员设计二、 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，为各级提供适宜的静态电流；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。本设计通过对根本电流镜的改良，设计改良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，它由两只特性完全一样的管子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。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，假设要求较大，根据式，势必增大，R的功耗也就增大这是集成电路中应当防止的；假设要求很小，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良设计的一种。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一样。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管的特性完全一样，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=10时，可见，在很小时也可以为，受基极电流影响很小。c) 基于NMOS的根本电流镜NMOS根本电流镜由两个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：M1管的栅源相接，知VGS=VdS,有 VGS-VT1<VdS 器件M1一定工作在饱和区。如果给M2提供适宜的偏置电压，使其也工作在饱和区则有图3假定两个管子的材料一样，且阀值电压一样，则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d) 基于NMOS的威尔逊电流源NMOS根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，采用串联负反响也可以提高电路的输出电阻。威尔逊电流镜正是这样的构造。与NMOS根本电流镜相比，威尔逊电流镜的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于根本电流镜。提高输出电阻的根本原理是M1的源极是M2形成的串联电流负反响。电路中M2在相当于串联有源电阻，构成串联电流负反响；I0VGS2VGS3=VDDVGS2I0I0趋于恒流。右图中，由于VDS1=VGS3+VGS2，而VGS1=VGS2，所以：VDS1>VGS1，因此M1一定工作在饱和区，所以根据饱和萨氏方程可得：由于VDS2VGS2，VDS1=VGS2VGS3，即VDS1VDS2，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：假定gm1=gm2=gm3，且gm1rds1>>1，则上式可简化为：e) 改良型威尔逊电流源与根本电流镜构造相比，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，构造简单，并可应用在亚阈值区。但是图4中M3与M2的漏源电压仍不一样，因此提出了一种改良型的威尔逊电流源，如图5所示。改良型威尔逊电流镜中，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。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的表达式与上式一样，且有：VDS1VGS2VGS3VGS4。设定VGS3VGS4，则有VDS1VGS2= VDS2，则有：上式说明，该构造很好消除了沟道调制效应，是一准确的比例电流源。而且只需四个MOS管就可实现，因此有较广泛的应用。这种构造也可用于亚阈值区域作为准确的电流镜使用。而要到达VGS4=VGS3，根据饱和萨氏方程可以得到其条件为：四、 幅员设计以及DRC校验Cadence平台中绘制幅员的步骤 输入icfb&启动cadence 启动Layout Editor，在命令解释窗口CIW 中，选择FileOpen，设置如下：Library Name invCell Name invView Name layout2点击OK，翻开design 的空白窗口以及LSW 窗口。 浏览inv 幅员设计窗口，最顶部显示为：Virtuoso Layout Editing：inv inv layout2，显示当前编辑的幅员名称。 顶部第二行状态栏Status Bar以红色显示* 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。 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。 窗口左侧为常用命令的快捷方式图标栏Icon Bar，从上到下为：检查并存档Check and Save、Delete删除、ruler标尺等。 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幅员的编辑，lab7 将设计nmos 管幅员。 LSW 窗口直接关系到幅员的设计，从lab6 开场，以后的实验中将经常使用LSW，此处从略。 存档，关闭所有窗口。改良型威尔逊电流源幅员DRC验证五、 结论与展望本次课程设计完毕了，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软件对幅员进展设计、分析和DRC验证，能够以cadence软件为根底设计功能完整的电路幅员。并根据电路设计和计算，绘制幅员。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。我今天认真的进展课程设计，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根底。在这次设计过程中，表达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缺乏和薄弱环节，从而加以弥补。本次的设计根本上能够完成根本的功能，但是还有缺乏之处。比方在没有设计到幅员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历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。六、 参考文献1. 童诗白华成英·模拟电子技术根底第四版·高等教育·2021年3月2. 美拉扎维·模拟CMOS集成电路设计·交通大学·2003年2月3. 曾庆贵玉稀·集成电路幅员设计教程·科学技术·2021年3月