低温度系数的cmos电流源电路的设计(附件)【字数：12634】
摘 要自二十一世纪以来，模拟集成电路设计的稳定性所越来越被重视，而影响其基准稳定性的主要原因是温度，本文提出了一种低温度系数的COMS电流源电路的设计方案，希望可以以此来提高模拟基础电路设计的稳定性。该电路主要是由带隙基准电压源和电流镜两方面构成，前者采用了温度补偿系数为2.89pp m/℃，输出电压为1.25V电压源基准，其原理是利用三极管偏置在不同电流密度下的基极-发射极的电压差所形成相异相反的温度系数的差别来进行温度补偿，而后者电流镜则是在偏置电流源的基础上进行的，这一点在之后的正文中会有具体的讲解。电路的仿真是基于cadence系统进行的，并针对电流源的温度特性进行了一部分的完善，使它能够达到低温度系数COMS的电流源电路设计的性能要求。而就目前而言，国内外通常所采用的办法也就是之前中所提及的，利用带隙基准电压源配合电流镜的方式制作出低温度系数的集成电路电流源，而这种方法也是目前解决模拟集成电路的温度困扰的主要方法，或许未来也会在这种方法的基础上增加新的技术也说不定，不过就解决温度所带来的影响问题上，这种方法有效地将影响波动的百分比压制在了1%以下，在材料的节约和操作技术的简便上确实也是目前所能达到的理想状态了。
目 录
第一章 绪论 1
1.1论文研究的意义 1
1.2国内外研究状况与发展趋势 1
1.3本文的工作安排 2
第二章 电流源的分类 3
2.1电流源在集成电路中的应用 3
2.2电流源的分类 4
第三章 偏置电流源电路设计原理 6
3.1偏置电流源的基本结构 6
3.2偏置电流源的性能指标 7
3.3设计与电压源无关的电流源电路 7
3.4设计与温度无关的基准 10
第四章 低温度系数的CMOS电流源的电路仿真 18
4.1仿真软件介绍 18
4.2电路仿真结果与分析 18
结束语 24
致谢 25
参考文献 27
附录 30
附录A整体电路图 30
绪论
1.1论文研究的意义
在模拟集成电路设计越来越 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
被重视的现在，数字集成电路设计那基于标准单元库使用EDA工具进行自动化的方式所存在的问题也显得越来越严重，而在大量自动画图自动排线的绘图软件以及电路仿真检测的仿真软件的支持下，模拟集成电路在成熟的电路单元的帮助下可以在保留人工设计能力的基础上有着不逊色于自动化处理的效率。但是因此对设计者经验的考核也变得更为地重要，因为模拟电路要考虑的因素更多，除了要关注的速度、功耗和面积之外，还需要考虑增益、精度等性能指标，考虑噪声、串扰、温度、器件非线性度等对性能的影响，其中温度对于模拟集成电路的影响尤为的明显 ，因此，设计出一个低温度系数的COMS电流源电路对于模拟集成电路的发展显得尤为的重要。
1.2 国内外研究状况和发展趋势
自二十一世纪以来，如何让模拟集成电路拥有更好的稳定性已经成为了许多国家的研究课题，而因为其受温度的影响较为突出，在不考虑其他影响因素的情况下其对输出电流电压的影响波动在10%以上，这意味着不能解决温度影响问题的话许多的集成电路在实际制作出来之后会存在着大量的问题，根据资料显示，在早些时候，这种问题一般都是由老练的技术人员凭借着自身经验对元件进行调整，从而最大程度地保证集成电路的准确性，但是问题依旧存在，况且也不可能一直凭着经验来解决这种问题。
所以，制造低温度系数的CMOS基准源便显得尤为地重要了，由于现今行业对于产品误差波动的要求越来越高，且市场对于低温度系数的集成电路电流源的需求也越来越大，而CMOS的制造工艺也是在日渐进步，对电流源的要求也是变得更加地复杂和多变，超大规模集成电路的设计工艺也是从1970年开始逐步发展到现在的90nm，可以预见在未来，对于模拟集成电路的电流源可变性和稳定性还将有进一步的提升和改进[1]。
1.3本文的工作安排
本文提供了一种低温度系数的CMOS电流源电路设计思路，其主要思路和工作流程如下：
利用带隙技术制造一个稳定的基准源。
即通过模拟集成电路设计的基础知识设计出一个较为稳定的基准电流源作为给各极输送稳定电流的基础。
利用偏置电流源实现输出级的电流镜。
电流镜可以稳定且高效地复制出各种指定数值的电流一直是其饱受好评的原因，以基准源输出的电流为参考电流的话可以有效地将所需要的各类电流发送出去[2]。
组合实验电路进行仿真实
整合两部分的电路，其中的主要难点包括电流电压之间相互干扰的协调，各类电阻确定是否使用统一的额定阻值，电路排版的复杂性，电磁干涉和其他要素对整体电路的干扰等等，华丽不少的时间用于处理两个电路之间的协调问题。
针对仿真的结果回过头来再对电路进行调整和修改。
第一次的实验结果并不理想，温度系数并没有理论上达到的那么低，因此不得不重新检查电路是否还存在着某种误差，在确认修复解决后并排除干扰再度进行实验，方才得到完整的实验数据。
总结得失并得出相应的结论
完成实验后整理实验数据并从失败的实验中总结出较为完善的实验过程和失败原因，同时意识到实验的实际操作比起理论推算存在着相当的意外因素，在实验中解决了本身问题的同时也是意外地收获了一些其他方面的知识[3]。
第二章 电流源的分类
2.1电流源在集成电路中的应用
电流源电路作为被经常运用在模拟基础电路之中的电路，其主要因素也是由电流源电路本身的特点和性质所决定的。
和电压源电路相比，电流源电路具有着较高的内阻相对负载阻抗，且负载阻抗的波动也并不会实际影响到试验中的电流大小，有着输出电流恒定不变，直流等效电阻无穷大，交流等效电阻无穷大的三个特点，且在电路中串联的电阻也不存在实际意义，只有并联在电流源上的负载电阻才会对实验电流产生一定的影响，且与内阻保持分流关系，而在试验中为了排除其他因素对实验结果所产生的干扰，一般我们都假定电流源为理想电流源。
理想电流源是一种“理想化”的电路元器件，它可以为电路提供大小方向恒定的电流，且不受负载影响，其两端电压仅仅决定于恒定电流和其负载，是一种不存在的电流源，不过并不妨碍我们在模拟集成电路的设计中使用它[4]，它的特性是能够将电流在大小、波形都不变化的情况下向外部电路稳定输出电流，且其电功率不会随外部电路或负载波动而失去稳定，是一种理想化的电路元器件。而现实中想要达到这种效果的话，就只能用一个电阻值远大于负载电阻的电阻器去串联实际电源，使其输出电流尽量和外接电路无关，从而达到无限接近于理想电流源的状况，而在进行模拟集成电路设计的时候，任何和理想电流源串联的电路元器件都可以进行移除，因为在理论上这些被移除的电路元器件并不会对电路产生任何的作用[5]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1论文研究的意义 1
1.2国内外研究状况与发展趋势 1
1.3本文的工作安排 2
第二章 电流源的分类 3
2.1电流源在集成电路中的应用 3
2.2电流源的分类 4
第三章 偏置电流源电路设计原理 6
3.1偏置电流源的基本结构 6
3.2偏置电流源的性能指标 7
3.3设计与电压源无关的电流源电路 7
3.4设计与温度无关的基准 10
第四章 低温度系数的CMOS电流源的电路仿真 18
4.1仿真软件介绍 18
4.2电路仿真结果与分析 18
结束语 24
致谢 25
参考文献 27
附录 30
附录A整体电路图 30
绪论
1.1论文研究的意义
在模拟集成电路设计越来越 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
被重视的现在，数字集成电路设计那基于标准单元库使用EDA工具进行自动化的方式所存在的问题也显得越来越严重，而在大量自动画图自动排线的绘图软件以及电路仿真检测的仿真软件的支持下，模拟集成电路在成熟的电路单元的帮助下可以在保留人工设计能力的基础上有着不逊色于自动化处理的效率。但是因此对设计者经验的考核也变得更为地重要，因为模拟电路要考虑的因素更多，除了要关注的速度、功耗和面积之外，还需要考虑增益、精度等性能指标，考虑噪声、串扰、温度、器件非线性度等对性能的影响，其中温度对于模拟集成电路的影响尤为的明显 ，因此，设计出一个低温度系数的COMS电流源电路对于模拟集成电路的发展显得尤为的重要。
1.2 国内外研究状况和发展趋势
自二十一世纪以来，如何让模拟集成电路拥有更好的稳定性已经成为了许多国家的研究课题，而因为其受温度的影响较为突出，在不考虑其他影响因素的情况下其对输出电流电压的影响波动在10%以上，这意味着不能解决温度影响问题的话许多的集成电路在实际制作出来之后会存在着大量的问题，根据资料显示，在早些时候，这种问题一般都是由老练的技术人员凭借着自身经验对元件进行调整，从而最大程度地保证集成电路的准确性，但是问题依旧存在，况且也不可能一直凭着经验来解决这种问题。
所以，制造低温度系数的CMOS基准源便显得尤为地重要了，由于现今行业对于产品误差波动的要求越来越高，且市场对于低温度系数的集成电路电流源的需求也越来越大，而CMOS的制造工艺也是在日渐进步，对电流源的要求也是变得更加地复杂和多变，超大规模集成电路的设计工艺也是从1970年开始逐步发展到现在的90nm，可以预见在未来，对于模拟集成电路的电流源可变性和稳定性还将有进一步的提升和改进[1]。
1.3本文的工作安排
本文提供了一种低温度系数的CMOS电流源电路设计思路，其主要思路和工作流程如下：
利用带隙技术制造一个稳定的基准源。
即通过模拟集成电路设计的基础知识设计出一个较为稳定的基准电流源作为给各极输送稳定电流的基础。
利用偏置电流源实现输出级的电流镜。
电流镜可以稳定且高效地复制出各种指定数值的电流一直是其饱受好评的原因，以基准源输出的电流为参考电流的话可以有效地将所需要的各类电流发送出去[2]。
组合实验电路进行仿真实
整合两部分的电路，其中的主要难点包括电流电压之间相互干扰的协调，各类电阻确定是否使用统一的额定阻值，电路排版的复杂性，电磁干涉和其他要素对整体电路的干扰等等，华丽不少的时间用于处理两个电路之间的协调问题。
针对仿真的结果回过头来再对电路进行调整和修改。
第一次的实验结果并不理想，温度系数并没有理论上达到的那么低，因此不得不重新检查电路是否还存在着某种误差，在确认修复解决后并排除干扰再度进行实验，方才得到完整的实验数据。
总结得失并得出相应的结论
完成实验后整理实验数据并从失败的实验中总结出较为完善的实验过程和失败原因，同时意识到实验的实际操作比起理论推算存在着相当的意外因素，在实验中解决了本身问题的同时也是意外地收获了一些其他方面的知识[3]。
第二章 电流源的分类
2.1电流源在集成电路中的应用
电流源电路作为被经常运用在模拟基础电路之中的电路，其主要因素也是由电流源电路本身的特点和性质所决定的。
和电压源电路相比，电流源电路具有着较高的内阻相对负载阻抗，且负载阻抗的波动也并不会实际影响到试验中的电流大小，有着输出电流恒定不变，直流等效电阻无穷大，交流等效电阻无穷大的三个特点，且在电路中串联的电阻也不存在实际意义，只有并联在电流源上的负载电阻才会对实验电流产生一定的影响，且与内阻保持分流关系，而在试验中为了排除其他因素对实验结果所产生的干扰，一般我们都假定电流源为理想电流源。
理想电流源是一种“理想化”的电路元器件，它可以为电路提供大小方向恒定的电流，且不受负载影响，其两端电压仅仅决定于恒定电流和其负载，是一种不存在的电流源，不过并不妨碍我们在模拟集成电路的设计中使用它[4]，它的特性是能够将电流在大小、波形都不变化的情况下向外部电路稳定输出电流，且其电功率不会随外部电路或负载波动而失去稳定，是一种理想化的电路元器件。而现实中想要达到这种效果的话，就只能用一个电阻值远大于负载电阻的电阻器去串联实际电源，使其输出电流尽量和外接电路无关，从而达到无限接近于理想电流源的状况，而在进行模拟集成电路设计的时候，任何和理想电流源串联的电路元器件都可以进行移除，因为在理论上这些被移除的电路元器件并不会对电路产生任何的作用[5]。
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