一种自偏置微电流源的拆环仿真验证技术*

张开礼，徐志军，徐 勇，范凯鑫，孔 磊

(1.解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007； 2.西安通信学院,陕西 西安 710000)

一种自偏置微电流源的拆环仿真验证技术*

张开礼1，徐志军1，徐 勇1，范凯鑫1，孔 磊2

(1.解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007； 2.西安通信学院,陕西 西安 710000)

由于IC芯片设计普遍采用全局偏置技术，而偏置电路的稳定性对电路的性能有较大影响。结合集成电路对高精度基准电流源的需求，设计了一种具有自偏置功能的恒定输出电流源电路，输出电流值为5μA。同时该电路对温度变化敏感度极低，温度-40°～125°变化时输出电流仅变化不到0.8%。为了避免电路设计不当带来环路自激振荡的危险，本模块设计中增加了环路稳定性的验证，采用Cadence Spectre进行模拟仿真，仿真结果表明该电路在保持高电源抑制比的同时，提高了输出电流的稳定性与可靠性。

基准电流源；自偏置；环路验证；电源抑制比

0 引 言

恒流源电路能否提供一个稳定的电流，是保证其它电路稳定工作的前提，其在经历了多年的研究之后，在各个领域内已广泛使用，更激发起人们对恒流源研究的不断深入[1]。恒流源是在电子电路和模拟集成电路中应用最广泛的电路之一[2]。主要的用途有以下几个方面：①作偏置电路，给晶体管提供稳定的偏流，起到稳定晶体管工作点的作用；②基于恒流源的基准稳压电路是集成稳压器的重要组成部分；③作集电极有源负载，可以有效地提高放大器的增益；④在电平移动电路和集成运放电路中采用恒流源，可以减小信号在传输过程中的损失[3]。随着便携式电子产品的不断更新，也要求恒流源电路设计向着低压、低功耗发展。

在文献[3]中提出的两种传统恒流源的结构电路都是开环无反馈电路，为了提高环路稳定性，常常引入负反馈电路来提高输出电流的稳定性。同时，在实际的电路中，沟道调制效应会使镜像电流产生极大的偏差。为了抑制沟道调制效应影响以及精确复制电流，电路中常采用共源共栅结构电流镜[4]，它具有较高的输入阻抗，可以减少沟道调制效应引起的不匹配。因此本文提出了一种带闭环负反馈、共源共栅电流镜的自偏置恒流源电路，并在本模块设计中，增加了环路稳定性的验证，以检验输出电流是否稳定[5]。仿真结果表明该电路减小了沟道调制效应的影响，提高了输出电流的稳定性。

1 自偏置电路

本文设计了一种自偏置电流源电路，电路如图1所示，基准电压源由微电流源核心电路和偏置电路组成。

图1 自偏置电流源电路

(1)微电流源核心电路

微电流源核心电路由M11、M12管和电阻R1组成。利用M11、M12管Ugs的微小差值来控制电流输出，即：

(1)

式中，I1为输出支路1的电流；Iref为参考基准电流；Ugs为MOS管栅源电压；R1为电阻。

(2)M7～M10管为Cascode电流源，如图1所示。共源共栅电流源具有高输出阻抗和精确输出电流的特点。共源共栅电流镜可以减小沟道长度调制效应引起的不匹配。在图1中若P、Q两点电压差为VPQ，从而引起X、Y两点的电压差VXY。

(2)

式中，VXY为X、Y两点的电压差；VPQ为P、Q两点电压差；r0为MOS管D和S之间的体电阻；gm为跨导。

显然，引入M9、M10管之后，可以将由于沟道长度调制效应引起的电压偏差降低为原来的1/(gm10+gmb10)ro10倍。

2 环路验证

系统利用Cascode(共源共栅)电流源高增益特性，将其与M11、M12管组成闭合两级负反馈环路，进一步增强参考电流的稳定性。其中环路1由M2～M5和M9～M12组成；环路2由M1、M4、M5和M7～M12组成。但是这种负反馈电路的引入，在提高稳定性的同时，如果反馈过深，不但不能改善电路的性能，反而会使电路产生自激振荡而不能稳定的工作[6]。

2.1 稳定工作的条件及稳定性分析

①宪法乃九鼎重器。宪法明确规定中国是依法治国的国家。公民法制意识的提高和全社会法制水平的提高是实现“法治”的基本前提。而国家机关“谁执法谁普法”责任制是不断加强法治教育，提高整个社会法制水平的重要途径。二者因果相关，不可割裂。

图2 放大电路环路增益波特

解决方法通常是采用电容滞后补偿或RC滞后补偿。电容滞后补偿虽然可以消除自激振荡，但会使通频带变得太窄。而采用RC滞后补偿不仅可以消除自激振荡，而且可使带宽得到一定的改善[7]。因此本设计采用RC补偿，如图1所示。R2和C2构成环路的RC滞后补偿。

2.2 拆环验证

图3和图4分别给出了闭合负反馈环路1和闭合负反馈环路2拆环的位置，拆环位置的选取应在放大电路输出与反馈回路之间。其中AC为交流电压源，电感L和电容C要尽可能的大，这里分别设置为1 GH和1 GF，以减小交流电压源对恒流源电路的影响。

图3 拆环位置1原理

图4 拆环位置2原理

电路中R2C2是为了提高环路的稳定性。拆环位置1仿真结果如图5所示，图6为未加R2C2滞后补偿的仿真结果。从模拟输出结果可以看出当环路1加RC滞后补偿和没有加RC滞后补偿时相位裕度φm分别为85°和-70°，增益裕度Gm分别为-20.14 dB和5.58 dB。可见环路1加入RC滞后补偿后，电路的稳定性得到有效的提高。

图5 加RC补偿拆环位置1仿真曲线

图6 未加RC补偿拆环位置1仿真曲线

图7 加RC补偿拆环位置2仿真曲线

图8 未加RC补偿拆环位置2仿真曲线

仿真结果如表1所示：验证结果表明在不加RC补偿的情况下拆环位置1和拆环位置2的增益裕度、相位裕度都远远达不到要求。两级环路在加入RC补偿后，相位裕度与电压增益都符合要求，并提高了电路的稳定性与可靠性。

表1 环路验证仿真

3 输出电流仿真

输出静态电流仿真采用瞬态仿真，观测TT、SS、FF模式下输出电流以及电源功耗。M14为BIAS输出电流，V1为电源功耗。仿真图如图9所示。BIAS的输出电流为5 μA，温度从-40°变化到125℃时，BIAS的输出电流为5±0.5 μA，变化范围比较小。V1为电源功耗50.33 μA，从仿真结果可以看出，输出电流稳定，满足要求。

(a)输出电流与输出功耗仿真

(b)输出电流随温度仿真

4 版图设计与测试

本设计采用了0.25μm CMOS工艺绘制版图，版图面积约0.2 mm2， 版图流片后仿真主要分为电流源输出电流仿真、关断电流模式仿真、环路稳定性仿真、电源噪声增益仿真，仿真结果如表1所示，结果表明该偏置电流源电路能够自启动，并输出稳定的电流，其稳定性和可靠性得到了提高。

表2 系统偏置电路仿真

5 结 语

本文设计的带闭环负反馈、共源共栅电流镜的自偏置恒流源电路，能够满足应用要求，为了避免电路设计不当带来环路自激振荡的危险，论文最后对所设计的基准电流源进行了环路验证与仿真，并设计出版图。仿真结果表明，该自偏置电流基准源具有非常好的稳定性与可靠性，实现了更优性能的目的，具有很好的使用价值。同时该电路对温度变化敏感度极低，温度-40°～125°变化时输出电流为5±0.5 μA，变化范围比较小。

[1] 秦玲,赖青贵,张良等.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束,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] 孙金中,冯炳军.一种新型CMOS电流模带隙基准源的设计[J]. 固体电子学研究与进展，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] 黄颖,林莹,徐勇等.一种自启动偏置电路芯片的设计[J].军事通信技术,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. 甚高频跳频电台发射模块的设计和实现[J]. 通信技术,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] 张玉波,刘旭青.基于相位裕度的负反馈电路稳定性评价方法[J].电子质量,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

张开礼(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为模数混合集成电路设计;

徐志军(1963—)，男，教授，主要研究方向为 SOC与嵌入式系统;

徐 勇(1974—)，男，副教授，主要研究方向为模数混合与射频集成电路设计;

范凯鑫(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为模数混合集成电路设计;

孔 磊(1989—)，男，讲师，主要研究方向为模数混合集成电路设计。