北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件05无源和有源电流镜

1北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——差分放大器AIC中最重要的电路模块之一差分放大器简介对两个输入信号的差值进行放大抗干扰能力强，输出电压摆幅大，偏置电路简单，线性度高简单差分放大器偏置电流受Vin,CM影响大，影响跨导、增益、输出共模电平等基本差分放大器源端耦合对MOS管做负载的基本差分放大器差分放大器的应用－Gilbert单元VGA2北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——大信号共模特性],2min[,31DDTHSSDDDCMinOVGSVVIRVVVV3北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——大信号差分特性DDoutoutoutinOXnSSinOXnDRIVVVVLWCIVLWCI2124214北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——小信号差分特性全差分时:电路完全对称、直流偏置电压相同DmvRgA重要结论：全差分输入时，P点为交流地半电路法非全差分时：将输入信号划分为共模分量和差模分量，分别计算，再用叠加定理5北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——小信号共模特性存在共模增益，因为存在非理想性：M1和M2之间有失配（W/L、VTH等），RD1和RD2之间有失配（阻值不完全相等等）；尾电流源ISS的内阻RSS不是无穷大RSS不是无穷大时，Vout1和Vout2会随Vin,CM的变化而变化，但不引入差分增益，通常不考虑RD的失配会引入差分增益M1和M2管尺寸和VTH失配，会引入差分增益用来CMRR来综合反映差分放大能力和共模抑制能力DMCMDMAACMRR/6北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——MOS管做负载的差分放大器)(OPONmNvrrgA电压摆幅和增益都可以很大7北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——共源共栅的差分放大器])()[(7551331OOmOOmmvrrgrrggA增益更大；但适当牺牲摆幅；输出共模电平未确定8北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲——Gilbert单元是差分放大器的一种应用是一种VGA增益可从－gmRD单调地变为＋gmRD广泛用于模拟系统和通信系统中9北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计放大器的偏置Vb1等如何产生？偏置电压都通过压点外加？压点太多，无法接受10北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计实际AIC如何产生众多偏置电压/电流？通过电流镜106222123Ref822'24132425815171416720111995262.25V1183122'OP2(OP3)接N阱10A，来自带隙基准源电路:产生直流偏置:小信号传递11模拟集成电路原理与设计第5章无源与有源电流镜陈中建[e-mail]62759620，理科2号楼2617微电子学系12北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时13北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲电流镜基本电流镜电流源——构成电流镜的基础共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小信号特性共模特性14北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计明确几个概念电流源Currentsource，做直流偏置广泛应用，小信号电阻大可用饱和区工作的MOS管实现电流沉Currentsink电流镜CurrentMirror由一对电流源构成无源电流镜PassiveCurrentMirror用做产生直流偏置电流时有源电流镜ActiveCurrentMirror象有源器件一样用作小信号处理时“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现电流源与电流镜结合使用15北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲电流镜基本电流镜电流源——构成电流镜的基础共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小信号特性共模特性16北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计电流源AIC中经常需要电流源对电流源的期望电流值能由设计者方便地设定在某一期望值，并且电流值的偏差能被控制在一定范围内电流值往往会随工艺、电源、温度等变化而变化电压裕度、电阻、电容、噪声等如何电路实现并可设、精确、稳定？17北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基于电阻分压的电流源2122)(2THDDoxnOUTVVRRRLWCI电流值对工艺、电源、温度等变化敏感不同芯片阈值偏差可达100mVn、VTH随温度变化输出电压范围大于M1管的VOV即可为了输出电压范围较大，VOV取典型值200mV若VTH改变50mV，则IOUT改变44％评价：电流值无法精确、稳定，很难实用18北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基于基准电流的电流源－原理IREF——基准电流由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第11章），是一个重要的研究领域基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺偏差、温度变化等低敏感）Fig11.3519北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基于基准电流的电流源－原理IREF基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺偏差、温度变化等不敏感）基于IREF，“复制”产生所需各电流常用复制方法是先把IREF转换为电压，再由该电压转换为电流20北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基本电流镜－等量复制)(GSREFVfI)(1REFGSIfVREFREFoutIIffI)(12)(2THGSoxnREFVVLWCI镜面基本电流镜Iout也可以不等于IREF忽略了的影响（会影响复制精度）21北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基本电流镜－比例复制21)()(2THGSoxnREFVVLWCI22)()(2THGSoxnoutVVLWCIREFoutILWLWI12)/()/(设计者通过合理设计M1和M2管的尺寸比，即可获得期望的电流若IREF精准、稳定，合理设计M1管和M2管的尺寸和位置，使它们的VTH、n、COX等工艺参数匹配度高、W/L比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout22北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计基本电流镜在差分放大器中的应用高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负载的差分放大器23北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计高输出摆幅的差分放大器用旁路电流源来提高二极管做负载的差分放大器的输出摆幅；见教材P104，图4.3324北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计单级共源放大器M1管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1412DDII22222111)()(4)()(THGSpTHGSnVVLWVVLW4)/(4)/()(||21vpnTH1GS1TH2GS2ALWLWVVVVgm2nCoxWLID2121)/()/(4LWLWggApnmmv若要求Av=-10，当VOV1=200mV、VTH=0.7V时，VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则Vout不能大于2.1V提高输出摆幅25北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题二极管接法MOS管做负载的DA对于图示电路，(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，(W/L)1-2=10/0.5，(W/L)3-6=10/0.5，IREF=0.1mA，输入共模电压Vin,CM=1.5V，=0。计算VP以及二极管连接的PMOS管的漏极电压V1、V2。高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负载的差分放大器1226北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题二极管接法MOS管做负载的DA对于图示电路，(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，(W/L)1-2=10/0.5，(W/L)3-6=10/0.5，IREF=0.1mA，输入共模电压Vin,CM=1.5V，=0。计算VP以及二极管连接的PMOS管的漏极电压V1、V2。inoutinoutLWLWII)/()/(0，电流镜可精确复制电流1227北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题二极管接法MOS管做负载的DA对于图示电路，(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，(W/L)1，2=10/0.5，(W/L)3-6=10/0.5，IREF=0.1mA，输入共模电压Vin,CM=1.5V，=0。计算VP以及二极管连接的PMOS管的漏极电压V1、V2。VLWCIVVAAAAOXnDMOVTOVDDDT273.05.01013429.01.02)(2,50I,200I,052I,500IP000,,4,36,52,1于饱和区，则：点电压使尾电流管工作假定1228北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题二极管接法MOS管做负载的DA于饱和区”吻合。点电压使尾电流管工作与“假定，；且解方程，得：）计算（P273.0302.0)9.09.0(45.07.05.01013429.025.025.1)22()(2)22()(21,02,12,1.02,12,12,12,1.2,1VVVVVVVVLWCIVVVVVVLWCIVVVVISSOVPPPPFPFTHNOXnDPCMinFPFTHNTHNTHNOXnDPCMinGSP12对于图示电路，(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，(W/L)1，2=10/0.5，(W/L)3-6=10/0.5，IREF=0.1mA，输入共模电压Vin,CM=1.5V，=0。29北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计例题二极管接法MOS管做负载的DA对于图示电路，(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，(W/L)1，2=10/0.5，(W/L)3-6=10/0.5，IREF=0.1mA，输入共模电压Vin,CM=1.5V，=0。计算VP以及二极管连接的PMOS管的漏极电压V1、V2。VVLWCIVVVVVVVVVLWCIVVVVVVVVVTHPOXpDDDTHPovDDGSDDTHPPOXpPDDDTHPPovDDPGSDD839.18.05.01003837.005.023)(2478.18.05.01003837.02.023)(2)2(33332,,,121和计算1230北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计电流镜中晶体管的L通常设计为相同REFoutILWLWI12)/()/(为什么取L1=L2DLLLdrawneffREFeffeffeffeffRE