模拟CMOS集成电路设计中的电流基准源及⽤CadenceVirtuosoIC617设计并 仿。。。
前⾔
本⽂为我⾃⼰的学习笔记，属于Cadence Virtuoso系列的进阶部分，采⽤的软件版本是Cadence Virtuoso IC617。其他⽂章请点击上⽅，看我制作的Cadence Virtuoso专栏内容。
在前⾯的⽂章中，记录了电流镜的相关知识。虽然在运放中我们基本解决了电流源的问题，但是引⼊了⼀个新的电流源，也就是电流基准。本⽂记录了如何产⽣这个基准源。
集成电路版图设计
基准电流源
在上⼀节中，我们引⼊了电流镜，虽然我们能产⽣任意电流了，但是，基准电流源Iref被引⼊，这就需要我们解决⼀个新的问题，怎么产⽣基准电流源Iref？
基准源特性
⾸先，我们要知道，⼀个好的基准源，需要有怎样的特性。
与VDD和noise⽆关，即在⼀定电压范围内都是恒流输出，抗噪声要灵敏度很低 与temperature⽆关，使得器件在⼀定的温度范围内都是恒流输出
与u·Cox⽆关，即与⼯艺参数⽆关，使得不同批次的器件都能保持输出电流恒定
那么，我们怎样得到这个偏置呢？
电路原理
拉扎维的第⼆版书中的P459给出了⼀个解决⽅案，可以⽤四只晶体管加⼀个电阻，产⽣⼀个与电源⽆关的偏置（但实际测试下来发现误差挺⼤的）。这是经典的标准电流源。 左边的电路中，M2会产⽣体效应，所以⼀般⽤右边的电路。后续都是以右边电路举例。在图中将电流镜也加⼊进去。
教科书中告诉了我们，以下关系式成⽴。从公式中看出，输出电流和电源电压VDD（VDS）⽆关，仅和⼯艺参数及温度有关。但是，公式并没有考虑沟道长度调制效应，所以，当引⼊沟道长度调制时，公式变得不⼀样，此时输出电流和电源电压有关了。
计算过程I=
out∗
μC()
p ox L
W
p
2
∗
R S2
1
(1−)K12
以下介绍两种计算MOS尺⼨的⽅法。以前⾯设计的两级运放举例，第⼀级运放需要314uA的电流，第⼆级运放需要2.356mA的电流。那
么，参考电流源可以设计为157uA，这样，第⼀个电流镜为2倍关系，第⼆个电流镜为15倍关系。
也就是说，接下来设计的基准电流源，输出的电流为157uA。
gm/id 计算法
⾸先，有以下的关系式成⽴。
其次，它们之间的关系如下。
最后可以得到以下关系式。
在这四个晶体管中，M3是最⼤的，我们令它们的gm/id的取值如下表。同时，为了抑制沟道长度调制效应，每⼀只晶体管的L取值为2um。
标号1,234gm/id取值
6
12
6
V =GS 3V +OV 3V ,V =THP GS 4V +OV 4V THP
V =GS 4V +GS 3I R ,=out S I d g m V OV
2
2[()−I d g m 4−1
()]=I d g m
3−1
I R out S
同时，我们知道每⼀条⽀路的电流为157uA，只需要查idoverw-gmoverid表，得到电流密度，就能算出对应晶体管的W。最终得出的晶体管尺⼨如下。
M3的尺⼨约是M4的4倍，也就是K=4，这也是很多⽂献中得出的结论。
计算出M4的尺⼨后，可以直接将W和L套⽤到M3上，然后将Multiplier改成四倍即可。
标号1,234W 11.07u 28.18u 28.11u L 2u 2u 2u Multiplier
2
16
4
最后通过计算得到Rs的取值。除了上⾯通过Iout计算外，实际上，Rs的取值约是M4的gm的倒数，也可以通过这个关系进⾏计算，下⾯给出了两种计算结果，它们⾮常相近。
上⾯计算的Rs结果只是给了⼀个⼤致的范围（⼤致为1kΩ左右），实际上经过仿真，Rs需要取值为1.112kΩ才能达到⽬标电流值。接下来的仿真都是以Rs=1.112kΩ举例。
直接引⼊法
直接引⼊法，是⼀个⾮常偷懒的⽅法，但是⼗分简单⾼效，其基本思想还是使⽤了gm/id⽅法，因为每⼀个⽀路的电流都是⼀致的，所以在保证了对应晶体管的gm/id值是⼀致的情况下，就能产⽣对应的电流。
电路原理图如下图。看着可能很复杂，但是我们从右到左，⼀步⼀步分析。其中晶体管旁边的数值分别代表W，L，Multiplier。1. 左边是⼀个五管OTA运放，输⼊管为P-MOS，负载为N-MOS组成的电流源2. 右边是基准电流源产⽣电路，同样由两个P-MOS和两个N-MOS组成3. 左边的P-MOS尺⼨由右边映射得来，注意右⽀路的晶体管的Multiplier是44. 左边的N-MOS尺⼨由右边映射得来，注意L增⼤变成
了2u（增⼤电流源Rout）5. 中间是电流镜部分，Iref电流源的尺⼨直接照搬左边的晶体管
6. 上⾯两个P-MOS可以直接照搬运放输⼊管尺⼨，可减⼩Multiplier以减⼩⾯积
7. 上⾯两个P-MOS可以以gm/id=5~8重新设计，以降低电流源噪声
8. Rs的取值约是输⼊管的gm的倒数，误差较⼤，需要根据仿真结果进⾏微调
I ⇒out R =S 1.06k Ωg ⇒m R =S 1.05k Ω
⽤这个⽅法，除了简单和懒⼈专属这个优点，还有⼀个强迫症患者的福⾳，那就是这个⽅法可以保证，晶体管之间的W尺⼨的⼀致的，也就是Multiplier和L不同，在绘制版图的时候，就可以将晶体管排列得整整齐齐。
仿真结果
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