tsmc28nm基本电流镜仿真

Question

问题：输出曲线应该在进入饱和区后大致等于10uA，但是看输出曲线是一直上升的，不知道怎么解释，deepseek说是异常的，哪怕被击穿也不会到达160uA，想问下输出曲线正不正常。
MOS管的W=100n，L=30n，电流源10uA，输出管接Vdc进行0-4V扫描，得到如下曲线（图三）
图一：原理图

图二：相关参数：VDD=2V，对VDC进行0-4V扫描

图三：电流随VDC变化曲线

图四：M1参数

图五：MO参数

Answer 1

中午好🌞🌞🌞
本答案参考通义千问

根据你提供的信息，我们可以逐步分析输出曲线异常的原因，并给出解决方案。

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一、问题描述

• MOS管参数：

  • W = 100 nm
  • L = 30 nm
  • 电流源为 10 μA
  • VDD = 2 V
  • VDC 扫描范围：0 ~ 4 V

• 预期结果：

  • 当 VDC 进入饱和区后，输出电流应稳定在约 10 μA。

• 实际观察到的现象：

  • 输出电流随 VDC 上升而持续增加，甚至达到 160 μA，明显超出预期值。

• DeepSeek 的反馈：

  • 认为这种行为是异常的，因为即使 MOS 管被击穿，也不应达到如此高的电流（160 μA）。

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二、可能原因分析

1. MOS 管未进入饱和区

• 在仿真中，MOS 管是否真正进入了饱和区？可以通过查看 VGS 和 VDS 的关系来判断。
• 如果 VDS < VGS - Vth，则 MOS 管处于线性区，电流会随着 VDS 增加而上升。

2. 电流镜设计错误

• 如果电流镜的设计不正确（如 M1 和 M2 的尺寸不匹配），会导致输出电流偏离预期。
• 特别注意：M1 和 M2 的宽长比（W/L）是否一致？如果不一致，输出电流将不成比例。

3. 电源电压不足或偏置不当

• VDD = 2 V，可能不足以让 MOS 管进入饱和区。
• 如果 VDS 不够大，MOS 管无法进入饱和，导致电流持续上升。

4. 模型文件问题

• 使用的 MOS 模型是否适用于 TSMC 28nm 工艺？
• 如果模型有误，可能导致仿真结果与实际不符。

5. 仿真设置问题

• 仿真中是否设置了合适的直流扫描步长和精度？
• 是否使用了正确的仿真器（如 HSPICE、Spectre、LTspice 等）？

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三、解决方案（有序列表）

1. 检查 MOS 管工作区域

• 查看 VGS 和 VDS 的关系，确认 MOS 管是否进入饱和区。
• 关键公式： $$ V_{DS} \geq V_{GS} - V_{th} $$
  • 如果 VDS < VGS - Vth，说明 MOS 管处于线性区，电流会上升。

2. 验证电流镜设计

• 确保 M1 和 M2 的 W/L 比例一致。
• 如果 M1 和 M2 的尺寸不同，电流镜输出电流会偏离预期。
• 示例代码（Verilog-A 或 SPICE）：

  // 假设 M1 是参考晶体管，M2 是复制晶体管
  M1 n1 n2 n3 gnd NMOS W=100n L=30n
  M2 n4 n2 n5 gnd NMOS W=100n L=30n
  

  • 修改建议：确保 M1 和 M2 的 W/L 相同。

3. 调整电源电压和偏置

• 如果 VDD 太低，MOS 管可能无法进入饱和区。
• 建议尝试提高 VDD 到 3V 或更高，以确保 MOS 管可以进入饱和区。

4. 检查模型文件

• 确保使用的 MOS 模型是 TSMC 28nm 工艺下的标准模型。
• 示例模型引用（SPICE）：

  .model NMOS NMOS (VTO=0.45 UO=350 LAMBDA=0.01)
  

  • 如果模型不准确，可能导致仿真结果异常。

5. 优化仿真设置

• 增加直流扫描的步长和精度。
• 使用更精确的仿真器（如 HSPICE 或 Spectre）进行仿真。

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四、推荐修改后的代码（SPICE 示例）

* TSMC 28nm Current Mirror Simulation
.model NMOS NMOS (VTO=0.45 UO=350 LAMBDA=0.01)

VDD VDD 0 DC 3V
VDC VDC 0 DC 0V
IBIAS IBIAS 0 DC 10uA

M1 IBIAS VDC VDC 0 NMOS W=100n L=30n
M2 VOUT VDC VDC 0 NMOS W=100n L=30n

RLOAD VOUT 0 1k

* 设置直流扫描
.dc VDC 0 4 0.1

* 设置仿真选项
.options post=1

.end

注意：以上代码是一个简化版示例，具体仿真需根据实际电路结构进行调整。

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五、结论

你的输出曲线确实存在异常，主要原因是：

• MOS 管可能未进入饱和区；
• 电流镜设计可能存在偏差；
• 电源电压或模型文件可能存在问题。

建议按照上述步骤逐一排查，特别是检查 MOS 管的工作状态和电流镜的比例一致性。如果仍然无法解决问题，可提供完整的仿真文件或原理图进一步分析。