Lesson 02 / Beginner

Basic NMOS Current Mirror

คู่มือแล็บแบบ Step-by-step สำหรับสร้าง Schematic และตรวจผล DC Simulation ด้วย Cadence Virtuoso

◷ ~60 minutes⌁ 2 NMOS + Resistor✓ Hands-on

Start here

01 · เรากำลังเรียนอะไร?

ใน Analog IC Design เรามักต้องใช้กระแสไบอัสหลายจุด การใช้ Current Mirror เป็นพื้นฐานหนึ่งของการสร้างกระแสอ้างอิงและส่งต่อกระแสไปยังกิ่งวงจรอื่น

หลังเรียนจบ ผู้เรียนควรสร้างวงจรพื้นฐาน ตรวจจุดทำงาน และอธิบายผล DC Sweep ได้

เป้าหมายของ Workshop นี้: ฝึกใช้เครื่องมือ Cadence เป็นหลัก ส่วนทฤษฎีวงจรใช้เท่าที่ช่วยให้เข้าใจการทดลอง

Concept & circuit

02 · Current Mirror ทำงานอย่างไร?

ใช้ NMOS สองตัวที่ได้รับ Gate Bias เดียวกัน โดย M1 ต่อแบบ diode-connected (Gate เชื่อมกับ Drain) เพื่อสร้างจุดอ้างอิง และ M2 ทำหน้าที่เป็นกิ่งเอาต์พุต

กรณี MOS สองตัว matched, มีขนาดเท่ากัน และทั้งคู่ทำงานใน Saturation จะคาดหวังได้ว่า

I_OUT ≈ I_REF

ในวงจรจริง กระแสอาจไม่เท่ากันเป๊ะ เพราะความต่างของ V_DS, Channel-Length Modulation และผลจากโมเดลอุปกรณ์

สำคัญ: ภาพนี้เป็นวงจรเชิงแนวคิด ไม่ใช่สัญลักษณ์จาก PDK จริง และยังไม่ได้กำหนดค่า R, W/L หรือ VDD ให้ยึดค่าที่ผู้สอนตรวจสอบกับ PDK ของห้องเรียน

Hands-on design

03 · สร้าง Schematic ใน Virtuoso

ทำตามลำดับนี้บน Cadence ของมหาวิทยาลัย โดยชื่อเมนูหรือชื่ออุปกรณ์อาจต่างกันตามเวอร์ชันและ PDK

เปิด Library Manager
สร้างหรือเปิด Library ที่เตรียมไว้แล้ว และสร้าง Cell ใหม่ด้วย View ชนิด schematic
Add Instance
เลือก NMOS 2 ตัวจาก PDK เดียวกัน พร้อม Resistor, VDD source, VOUT source และ Ground ตาม Testbench
กำหนดขนาดอุปกรณ์
ใช้ M1/M2 รุ่นเดียวกันและ W/L เท่ากันก่อน แล้วเลือกค่าเริ่มต้นที่ผู้สอนทดสอบผ่านแล้ว
ต่อสายวงจร
เชื่อม Drain ของ M1 เข้ากับ Gate ของ M1 และ M2, ต่อแหล่งกระแสอ้างอิงผ่าน RREF, ต่อ Source NMOS ลง Ground และกำหนด VOUT ให้ M2
Check & Save
ตรวจการเชื่อมต่อและแก้ข้อผิดพลาดก่อนตั้งค่า Simulation

หากใช้ PDK ของมหาวิทยาลัย ให้ผู้สอนยืนยันวิธีเชื่อม Technology Library และ Model Files ก่อนเริ่มเรียน

Simulation & results

04 · ทดลองและอ่านผล

Part A — DC Operating Point

เปิด ADE จาก Schematic ที่ตรวจสอบแล้ว
เลือก Simulator และตั้ง Model / Environment ให้ตรงกับ PDK ที่ใช้งาน
เลือกการวิเคราะห์ DC Operating Point และรันวงจร
อ่านกระแสของ M1/M2, ค่าแรงดันตามโหนด และตรวจ Operating Region ของ MOSFET

Part B — DC Sweep

กำหนด DC Sweep ที่แหล่งแรงดัน VOUT ของ M2
เลือกช่วง Sweep ที่ปลอดภัยและเหมาะสมกับ PDK ตามคำแนะนำผู้สอน
Plot กระแสของ M2 เทียบกับ VOUT
สังเกตช่วงแรงดันที่กระแสเริ่มค่อนข้างคงที่ และอธิบายเงื่อนไข Saturation

ข้อควรระวัง: ยังไม่มีกราฟผล Simulation จริงในต้นแบบนี้ เมื่อได้ผลจาก Cadence ให้เพิ่ม Screenshot ที่ตรวจสอบแล้วแทนกราฟสมมติ

Compare: I_OUT versus V_OUT

Your progress

05 · Hands-on Checklist

ติ๊กเมื่อทำแต่ละขั้นเสร็จ ระบบจะจำสถานะบนเบราว์เซอร์เครื่องนี้โดยไม่ส่งข้อมูลไปเซิร์ฟเวอร์

เปิด Library และสร้าง Cell Schematic ได้วาง MOSFET, R, Sources และ Ground ได้ต่อ Current Mirror แล้ว Check & Save ผ่านรัน DC Operating Point และอ่านกระแสได้รัน DC Sweep ของ VOUT และเปิดกราฟได้อธิบายความสัมพันธ์ของ IOUT และ IREF ได้

0/6 ขั้นตอนสำเร็จ

Challenge: ทดลองเปลี่ยนขนาด M2

ลองกำหนด W ของ M2 เป็น 2 เท่าของ M1 โดยคง L เท่าเดิม แล้วคาดการณ์ก่อนว่ากระแสเอาต์พุตควรเป็นอย่างไร จากนั้นรันและเปรียบเทียบผลจริง

สิ่งที่ต้องอธิบาย: ความต่างระหว่างอัตราส่วนกระแสที่คาดหมายในแบบจำลองอุดมคติกับผลที่ได้จาก PDK

Quick knowledge check

06 · Mini Quiz

ตอบ 3 ข้อ แล้วกดตรวจคำตอบ (คะแนนตรวจบนหน้าเว็บนี้ ไม่ส่งให้ผู้สอน)

1. หาก M1 และ M2 matched, มี W/L เท่ากัน และทำงานใน Saturation คาดหวังอะไร? IOUT ต้องเป็นศูนย์เสมอ IOUT ควรมีค่าใกล้เคียง IREF IOUT ไม่ขึ้นกับ VOUT ในทุกช่วงแรงดัน

2. DC Operating Point ใช้เพื่ออะไรเป็นหลัก? ตรวจแรงดัน กระแส และบริเวณการทำงาน ณ จุดไบอัส วัด Gain vs Frequency ออกแบบ Layout อัตโนมัติ

3. ทำไมเมื่อ VOUT ต่ำมาก กระแส IOUT จึงอาจเปลี่ยนไปมาก? MOSFET กลายเป็น Resistor อุดมคติทันทีทุกกรณี Gate ของ M1 ถูกตัดการเชื่อมต่อ M2 อาจหลุดจาก Saturation

ก่อนจบแล็บ ลองอธิบายกับเพื่อนหนึ่งประโยคว่า “Current Mirror ทำหน้าที่อะไร และ DC Sweep ช่วยให้เราเห็นอะไร?”

ผู้เรียน: _________________________ วันที่: _________________________

Reflection: ________________________________________________________________

← กลับไปหน้าคอร์ส Homealearn ↗