自偏置结构的电流源
自偏置结构的电流源,不随VDD变化,用输出的电流反过来再作为输入的参考电流,从而输出是恒定电流,作为参考的输入也是恒定电流,VA=VB,因此VA和VB节点是等效的,将他俩直接相连时不会影响电路工作的。
如果要设计10uA电流,中间电压设计为0.9V,VDD=1.8V
已知该工艺MOS阈值电压和迁移率,就能根据电流平方律公式得到管子的宽长比。
2.退化电阻确定电流的电流源
假设要设计10uA的电流源,VDD=1.8v,先计算上方两个PMOS的宽长,仍选定过驱动电压为0.2V,计算得PMOS的宽长比为7.6,再来设计mn1,同样选择过驱动电压为0.2V,求得mn1的宽长比为4.8,再来看mn0,由于这个电路的电流为(vgs1-vgs0)/R,因此mn0的宽长比应大于mn1才能得到vgs1>vgs0,这里设计为mn1的4倍。两个NMOS的宽长决定之后就可以计算电阻上的压降
因此电阻上的压降为0.1V,由于想要的电流为10uA,于是R=10k。
首先关注黑色字体的结果,发现仿真得到的电流值为7.4uA,小于设计值10uA了,这里主要由两个原因,第一是设计时没有考虑沟道长度调制效应,其二是mn0的衬偏效应。
为了得到10uA的电流,这里我们调整电阻值,将电阻从10k减小到8k,再一次仿真结果如红色字体所示,到这里基本满足了设计提出的需求。
该结构构成一个闭环,可以分析他是一个增益小于1的正反馈环路。
3.电流源启动电路
这个电路有简并点的问题,假设初始状态下,VP的电压为VDD,VN点电压为0,那么整个电路都没有办法导通,于是这个电路就会永远停留在这个无法开启的阶段,通过仿真来验证一下。我们需要在ADEL里面设置initial condition(simulation->Convergence Aids->Initial Condition),设置PMOS的GATE为VDD,NMOS的GATE为0,仿真结果如上图。可以看到当P管和n管同时不导通时,流过电阻的电流为pA级,该电路也就无法正常启动了,因此我们需要某个模块可以将VP往下拉,同时将VN往上抬,起到避开简并点的作用。该启动电路原理如下,假设当前电路处于无法开启的简并点,VP为高,VN为低,mn3导通,将VP往下拉,并且抬高VN,之后p管和n管均开启,电路离开简并状态,开始走向电阻值设立的静态工作点。当建立完成后,启动用的NMOS管关断,不影响电路的正常的工作状态。
开始仿真之前先确定MN3的尺寸,在启动阶段要下拉电流,因此mn3会与启动速度有关,另外版图上下面已经有一排NMOS了,因此mn3可以选择一样的宽度,这样mn3可以和这些NMOS放在同一排,最后再选mn3的L,希望有较小的漏电流,因此避开最小尺寸,L=1u
瞬态仿真该电路的输出电流
最后来讲一下该启动电路的问题,假设VDD很低,低到NMOS无法开启,那么该启动电路无法正常启动,另外,假设VDD很高,高到正常工作时无法将MN3关断,那么该电路的正常工作状态将会被启动电路破坏。