一種自偏置微電流源的拆環(huán)仿真驗(yàn)證技術(shù)*

張開禮，徐志軍，徐 勇，范凱鑫，孔 磊

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007； 2.西安通信學(xué)院,陜西 西安 710000)

一種自偏置微電流源的拆環(huán)仿真驗(yàn)證技術(shù)*

張開禮1，徐志軍1，徐 勇1，范凱鑫1，孔 磊2

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007； 2.西安通信學(xué)院,陜西 西安 710000)

由于IC芯片設(shè)計(jì)普遍采用全局偏置技術(shù)，而偏置電路的穩(wěn)定性對電路的性能有較大影響。結(jié)合集成電路對高精度基準(zhǔn)電流源的需求，設(shè)計(jì)了一種具有自偏置功能的恒定輸出電流源電路，輸出電流值為5μA。同時(shí)該電路對溫度變化敏感度極低，溫度-40°～125°變化時(shí)輸出電流僅變化不到0.8%。為了避免電路設(shè)計(jì)不當(dāng)帶來環(huán)路自激振蕩的危險(xiǎn)，本模塊設(shè)計(jì)中增加了環(huán)路穩(wěn)定性的驗(yàn)證，采用Cadence Spectre進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明該電路在保持高電源抑制比的同時(shí)，提高了輸出電流的穩(wěn)定性與可靠性。

基準(zhǔn)電流源；自偏置；環(huán)路驗(yàn)證；電源抑制比

0 引 言

恒流源電路能否提供一個(gè)穩(wěn)定的電流，是保證其它電路穩(wěn)定工作的前提，其在經(jīng)歷了多年的研究之后，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)已廣泛使用，更激發(fā)起人們對恒流源研究的不斷深入[1]。恒流源是在電子電路和模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的電路之一[2]。主要的用途有以下幾個(gè)方面：①作偏置電路，給晶體管提供穩(wěn)定的偏流，起到穩(wěn)定晶體管工作點(diǎn)的作用；②基于恒流源的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路是集成穩(wěn)壓器的重要組成部分；③作集電極有源負(fù)載，可以有效地提高放大器的增益；④在電平移動(dòng)電路和集成運(yùn)放電路中采用恒流源，可以減小信號(hào)在傳輸過程中的損失[3]。隨著便攜式電子產(chǎn)品的不斷更新，也要求恒流源電路設(shè)計(jì)向著低壓、低功耗發(fā)展。

在文獻(xiàn)[3]中提出的兩種傳統(tǒng)恒流源的結(jié)構(gòu)電路都是開環(huán)無反饋電路，為了提高環(huán)路穩(wěn)定性，常常引入負(fù)反饋電路來提高輸出電流的穩(wěn)定性。同時(shí)，在實(shí)際的電路中，溝道調(diào)制效應(yīng)會(huì)使鏡像電流產(chǎn)生極大的偏差。為了抑制溝道調(diào)制效應(yīng)影響以及精確復(fù)制電流，電路中常采用共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡[4]，它具有較高的輸入阻抗，可以減少溝道調(diào)制效應(yīng)引起的不匹配。因此本文提出了一種帶閉環(huán)負(fù)反饋、共源共柵電流鏡的自偏置恒流源電路，并在本模塊設(shè)計(jì)中，增加了環(huán)路穩(wěn)定性的驗(yàn)證，以檢驗(yàn)輸出電流是否穩(wěn)定[5]。仿真結(jié)果表明該電路減小了溝道調(diào)制效應(yīng)的影響，提高了輸出電流的穩(wěn)定性。

1 自偏置電路

本文設(shè)計(jì)了一種自偏置電流源電路，電路如圖1所示，基準(zhǔn)電壓源由微電流源核心電路和偏置電路組成。

圖1 自偏置電流源電路

(1)微電流源核心電路

微電流源核心電路由M11、M12管和電阻R1組成。利用M11、M12管Ugs的微小差值來控制電流輸出，即：

(1)

式中，I1為輸出支路1的電流；Iref為參考基準(zhǔn)電流；Ugs為MOS管柵源電壓；R1為電阻。

(2)M7～M10管為Cascode電流源，如圖1所示。共源共柵電流源具有高輸出阻抗和精確輸出電流的特點(diǎn)。共源共柵電流鏡可以減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)引起的不匹配。在圖1中若P、Q兩點(diǎn)電壓差為VPQ，從而引起X、Y兩點(diǎn)的電壓差VXY。

(2)

式中，VXY為X、Y兩點(diǎn)的電壓差；VPQ為P、Q兩點(diǎn)電壓差；r0為MOS管D和S之間的體電阻；gm為跨導(dǎo)。

顯然，引入M9、M10管之后，可以將由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)引起的電壓偏差降低為原來的1/(gm10+gmb10)ro10倍。

2 環(huán)路驗(yàn)證

系統(tǒng)利用Cascode(共源共柵)電流源高增益特性，將其與M11、M12管組成閉合兩級負(fù)反饋環(huán)路，進(jìn)一步增強(qiáng)參考電流的穩(wěn)定性。其中環(huán)路1由M2～M5和M9～M12組成；環(huán)路2由M1、M4、M5和M7～M12組成。但是這種負(fù)反饋電路的引入，在提高穩(wěn)定性的同時(shí)，如果反饋過深，不但不能改善電路的性能，反而會(huì)使電路產(chǎn)生自激振蕩而不能穩(wěn)定的工作[6]。

2.1 穩(wěn)定工作的條件及穩(wěn)定性分析

①憲法乃九鼎重器。憲法明確規(guī)定中國是依法治國的國家。公民法制意識(shí)的提高和全社會(huì)法制水平的提高是實(shí)現(xiàn)“法治”的基本前提。而國家機(jī)關(guān)“誰執(zhí)法誰普法”責(zé)任制是不斷加強(qiáng)法治教育，提高整個(gè)社會(huì)法制水平的重要途徑。二者因果相關(guān)，不可割裂。

圖2 放大電路環(huán)路增益波特

解決方法通常是采用電容滯后補(bǔ)償或RC滯后補(bǔ)償。電容滯后補(bǔ)償雖然可以消除自激振蕩，但會(huì)使通頻帶變得太窄。而采用RC滯后補(bǔ)償不僅可以消除自激振蕩，而且可使帶寬得到一定的改善[7]。因此本設(shè)計(jì)采用RC補(bǔ)償，如圖1所示。R2和C2構(gòu)成環(huán)路的RC滯后補(bǔ)償。

2.2 拆環(huán)驗(yàn)證

圖3和圖4分別給出了閉合負(fù)反饋環(huán)路1和閉合負(fù)反饋環(huán)路2拆環(huán)的位置，拆環(huán)位置的選取應(yīng)在放大電路輸出與反饋回路之間。其中AC為交流電壓源，電感L和電容C要盡可能的大，這里分別設(shè)置為1 GH和1 GF，以減小交流電壓源對恒流源電路的影響。

圖3 拆環(huán)位置1原理

圖4 拆環(huán)位置2原理

電路中R2C2是為了提高環(huán)路的穩(wěn)定性。拆環(huán)位置1仿真結(jié)果如圖5所示，圖6為未加R2C2滯后補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果。從模擬輸出結(jié)果可以看出當(dāng)環(huán)路1加RC滯后補(bǔ)償和沒有加RC滯后補(bǔ)償時(shí)相位裕度φm分別為85°和-70°，增益裕度Gm分別為-20.14 dB和5.58 dB?？梢姯h(huán)路1加入RC滯后補(bǔ)償后，電路的穩(wěn)定性得到有效的提高。

圖5 加RC補(bǔ)償拆環(huán)位置1仿真曲線

圖6 未加RC補(bǔ)償拆環(huán)位置1仿真曲線

圖7 加RC補(bǔ)償拆環(huán)位置2仿真曲線

圖8 未加RC補(bǔ)償拆環(huán)位置2仿真曲線

仿真結(jié)果如表1所示：驗(yàn)證結(jié)果表明在不加RC補(bǔ)償?shù)那闆r下拆環(huán)位置1和拆環(huán)位置2的增益裕度、相位裕度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。兩級環(huán)路在加入RC補(bǔ)償后，相位裕度與電壓增益都符合要求，并提高了電路的穩(wěn)定性與可靠性。

表1 環(huán)路驗(yàn)證仿真

3 輸出電流仿真

輸出靜態(tài)電流仿真采用瞬態(tài)仿真，觀測TT、SS、FF模式下輸出電流以及電源功耗。M14為BIAS輸出電流，V1為電源功耗。仿真圖如圖9所示。BIAS的輸出電流為5 μA，溫度從-40°變化到125℃時(shí)，BIAS的輸出電流為5±0.5 μA，變化范圍比較小。V1為電源功耗50.33 μA，從仿真結(jié)果可以看出，輸出電流穩(wěn)定，滿足要求。

(a)輸出電流與輸出功耗仿真

(b)輸出電流隨溫度仿真

4 版圖設(shè)計(jì)與測試

本設(shè)計(jì)采用了0.25μm CMOS工藝?yán)L制版圖，版圖面積約0.2 mm2， 版圖流片后仿真主要分為電流源輸出電流仿真、關(guān)斷電流模式仿真、環(huán)路穩(wěn)定性仿真、電源噪聲增益仿真，仿真結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明該偏置電流源電路能夠自啟動(dòng)，并輸出穩(wěn)定的電流，其穩(wěn)定性和可靠性得到了提高。

表2 系統(tǒng)偏置電路仿真

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的帶閉環(huán)負(fù)反饋、共源共柵電流鏡的自偏置恒流源電路，能夠滿足應(yīng)用要求，為了避免電路設(shè)計(jì)不當(dāng)帶來環(huán)路自激振蕩的危險(xiǎn)，論文最后對所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電流源進(jìn)行了環(huán)路驗(yàn)證與仿真，并設(shè)計(jì)出版圖。仿真結(jié)果表明，該自偏置電流基準(zhǔn)源具有非常好的穩(wěn)定性與可靠性，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)性能的目的，具有很好的使用價(jià)值。同時(shí)該電路對溫度變化敏感度極低，溫度-40°～125°變化時(shí)輸出電流為5±0.5 μA，變化范圍比較小。

[1] 秦玲,賴青貴,張良等.基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J].強(qiáng)激光與粒子束,2013,22(03):553-556． QIN Ling, LAI Qing-gui, ZHANG Liang, et al. Voltage-Controlled Constant Current Sources with Operational Amplifiers[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013,22(03):553-556．

[2] A New Compact Temperature-Compensated CMOS Current Reference[J]．IEEE Transactions on Circuits and System l：Express Briefs，2005，52(11)：724-728．

[3] 孫金中,馮炳軍.一種新型CMOS電流模帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)[J]. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2010,30(04):554-558． SUN Jin-zhong, FENG Bing-jun. Design of A Novel CMOS Current Mode Bandgap Reference[J]. Research & Progress of SSE, 2010,30(04):554-558．

[4] 黃穎,林瑩,徐勇等.一種自啟動(dòng)偏置電路芯片的設(shè)計(jì)[J].軍事通信技術(shù),2014(01):64-66． HUANG Ying, LIN Ying, XU Yong, et al. Design of Self-Starting Bias Circuit Chip[J].Journal of Military Communications Technology, 2014(01):64-66．

[5] 侯群. 甚高頻跳頻電臺(tái)發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 通信技術(shù),2011,44(06):132-137. HOU Qun. Design and Implementation of VHF Hopping Radio Transmission Module[J]. Communications Technology, 2011, 44(06): 132-137.

[6] 張玉波,劉旭青.基于相位裕度的負(fù)反饋電路穩(wěn)定性評價(jià)方法[J].電子質(zhì)量,2012(02):1-4. ZHANG Yu-bo, LIU Xu-qing, Stability Evaluation Method of Negative Feedback Circuit based on Phase Margin[J].Electronics Quality, 2012(02):1-4.

[7] Ray Barnett,LIU Jin. A 0.8 V 1.52 MHz MSVC Relaxation Oscillator with Inverted-Mirror Feedback Reference for UHF RFID[J].IEEE Custom Integrated Circuits,2006,2(4):138-142.

A Loop Simulation Technology of Self-Biased Micro Current Source

ZHANG Kai-li1, XU Zhi-jun1, XU Yong1, FAN Kai-xin1, KONG Lei2

(1.College of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Xi’an Communcations Institute，Xi’an Shaanxi 710000, China)

Due to the wide use of overall bias technology in IC design, the stability of bias circuit is of great influence on the performance of the whole circuit. In combination of the requirement of high-precision current source for integrated circuit, a constant output of current source circuit with self-biased function is implemented, and the output current value is 5uA. Meanwhile, this circuit is extremely insensitive to temperature variation, and the change of output current is less than 0.8% while the temperature varies from -40° to 125°. In order to avoid loop self-oscillation caused by improper circuit design, the verification of loop stability is added in this module design. This design is simulated with Cadence Spectre, and the result indicates that the circuit could maintain high PSRR (Power Supply Rejection Ratio) and improve the stability and reliability of current output.

reference current; self-biased; loop verification; PSRR

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.021

2015-05-09；

2015-09-01 Received date:2015-05-09；Revised date：2015-09-01

TN91

A

1002-0802(2015)10-1202-05

張開禮(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟?shù)混合集成電路設(shè)計(jì);

徐志軍(1963—)，男，教授，主要研究方向?yàn)?SOC與嵌入式系統(tǒng);

徐 勇(1974—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)槟?shù)混合與射頻集成電路設(shè)計(jì);

范凱鑫(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟?shù)混合集成電路設(shè)計(jì);

孔 磊(1989—)，男，講師，主要研究方向?yàn)槟?shù)混合集成電路設(shè)計(jì)。