《模拟CMOS集成电路设计》
---与电源无关的电流源课程设计
院系：电子与信息工程学院
专业：电子09-2 姓名：王艳强 学号：0906040221 指导教师：李书艳
摘要
模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。
关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺 综述
我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。电压基准源是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。
随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。
微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。BiCMOS技术增强了在CMOS技术提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于CMOS工艺中“按比例缩小理论”的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得CMOS电路的工作速度得到不断地提高，在模拟集成电路的设计中CMOS技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术以其得到飞速的发展，片上系统已经受到学术界及工业界广泛关注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工艺的特点正好符合了这种需求，因此，用CMOS技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。
设计过程
1 电路结构设计 1.1 启动电路设计 为了避免基准源工作在不必要的零点上，我们设计了启动电路
Vdd1.2VdcC20pf0P1N2N1
由于带隙基准源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点。当基准源工作在零点时，，基准源没有电流产生。基于数字电路设计中的上电复位原理，我们设计了启动电路。当电路上电时，通过电容C的充放电及N2管的导通，产生基准电流。通过P1和N1组成的反相器，使N2管完全截止，电压回落在稳定的工作点上，基准源开始正常工作。 1.2 IPTAT产生电路 这块部分电路我们是按照传统基准源电路原理设计的。
vdd1.2VdcP2P30R15kQ11Q120
1.3 带镜像电流源负载的差分放大电路
在传统的基准电压源电路中，必须设计低失调的运算放大器，以保证电路工作于深反馈状态，输出稳定的参考电路。但在深亚微米的低电压电源条件下，运算放大器的设计变得相当困难，更难控制运放的失调电压。参考资料中采用运算放大器设计了低压带隙基准源，但是差分放大器的差分对管是采用耗尽型NMOS管设计的。由于参考电压源的工作原理是电流反馈，所以我们改变传统基于运放的电压基准源设计方法，采用电流镜负载的差分放大器实现了电压基准源的低电源电压设计。
vdd1.2VdcP4P50P6P7IoutN6N5N4N30
1.4 输出的二次分压第二级放大电路
基于电阻二次分压技术调整参考电压输出范围，实现可配置的参考输出电压。
IoutVREFR224.4kR351.2kQ2N1132Q3
2 主要电路参数的手工推导
2.1按照题目要求，计算出电路各器件的尺寸。 电路稳定工作时，有
I2R1?VBE2?VVE1
I2??VVE2R2VTln?IS2/IS1?I??I1?3 R1R12推导可得：
VREF??R32R2VTln?IS2/IS1????VBE3?I3R2??R3?V? BE3??R2?R3R2?R3?R1?其中，I1,I2,I3为流过BJT Q1,Q2,Q3的发射极电流。 2.2 根据温漂计算 由
?VREF要尽量小，则 ?TR3??VBE32R2ln?IS2/IS1??VT?VREF?????TR2?R3??TR?T1?由
????0 ??VBE3?V??2mv/?C，T?0.085mv/?C ?T?T其他均为常数，可推导得
R2?5.5 R12.3根据静态功耗计算
由已知指标，静态功耗尽可能小
初设静态功耗≤300uW 初设工作电压Vdd =1.2V 由I2?I1?I3 2则R1?Vdd?VBE2?5k?
2.5I2则R2?5.5R1?27.5k? 又由
Vdd?VBE2Vdd1Vdd?VBE2??
R2R32R1得R3?42.58k?
2.4启动电路器件尺寸
由于电容C的主要作用是上电瞬间的充放电，对电容值的精度没有较高要求 故电容C取值20pf。
分析各支路电流，发现启动电路中的P1和N1组成的反向器的漏电流影响较大，所以只要降低P1和N1的支路电流，就可以实现低功耗，其中改变支路的等效电阻是降低功耗的直接有效方法。通过在P1的源极与电源VDD之间串联一个W/L很小的PMOS晶体管，可使整个基准源电路的功耗很大程度上减低。
故取
?W/L?P1?8
?W/L?N1?202.5 IPTAT产生电路器件尺寸 为得到低功耗，将P2、P3 的W/L比取小一些，降低跨导
取
?W/L?P2?6AI?8 由s2?8 则Q2AIQ1s1?W/L?P3?6
2.6 带镜像电流源的差分放大电路的器件尺寸
根据参考资料中的带镜像电流源的差分放大电路的参数，取
?W/L?N5?6.25?W/L?N3?10
?W/L?N6?6.25?W/L?N4?102.7 二次分压的第二级放大电路器件尺寸 根据 MOS管的输出增益，
Av??gmRD gm?2?nCQX由 0.18um 工艺库里面的参数计算得
WID L?W/L?P4?6.3
?W/L?P5?12.6
带隙基准源的设计
