第五章-电流镜

第五章第五章电流镜电流镜提纲提纲11、、基本电流镜基本电流镜22、共源共栅电流镜、共源共栅电流镜33、有源电流镜、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1、基本电流镜★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？基于电阻分压的电流源★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100mVμn、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，是一个重要、活跃的研究领域●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，在由该电压转换为电流2010/11/46基本电流镜电流源的设计是基于对基准电流的电流源的设计是基于对基准电流的““复制复制””；；两个都工作在两个都工作在饱和区饱和区且具有且具有相等栅源电压相等栅源电压的的相同晶体管相同晶体管传传输输相同的电流相同的电流（忽略沟道长度调制效应）。（忽略沟道长度调制效应）。基本电流镜－等量复制忽略了λ的影响（会影响复制精度）镜面Iout也可以不等于IREF基本电流镜－比例复制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、μn、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Iout该电路可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响；Iout与IREF的比值由器件尺寸的比率决定。电流镜中晶体管的L通常设计为相同横向扩散和场氧化层侵蚀会使Leff≠Ldrawn、Weff≠WdrawnVTH与L有关结论：取L1=L2，便于获得期望的精确电流值电流镜中晶体管的W的取值方法电流镜中晶体管的W的取值方法2010/11/412基本电流镜例子：例子：实际设计中，所有晶体管实际设计中，所有晶体管采用相同采用相同的栅长的栅长，以减小由于源漏区边缘扩，以减小由于源漏区边缘扩散所产生的误差。散所产生的误差。采用叉指结构。采用叉指结构。如图，每个叉指的如图，每个叉指的WW为为55±±0.10.1μμmm，则，则MM11和和MM22的实际的的实际的WW为：为：WW11＝＝55±±0.10.1μμm,Wm,W22＝＝4(54(5±±0.1)0.1)μμmm则则IIOUTOUT/I/IREFREF=4(5=4(5±±0.1)/(50.1)/(5±±0.1)=40.1)=44IREFIOUT版图设计请同学们思考：如果不采用叉指结构，对电流复制会有什么影响？基本电流镜的不足电流复制误差较大，受λ影响通常VDS2都不等于VDS1，导致误差。沟道长度小时，误差会很大。解决方法：采用共源共栅结构，提高输出电阻2010/11/414共源共栅电流镜22、共源共栅电流镜、共源共栅电流镜原理：合理设计Vb的值，使VY=VX，则Iout可以非常接近IREF，并且Iout对VP变化不敏感因为共源共栅级能屏蔽VP对VY的影响2010/11/415共源共栅电流镜共源共栅电流源共源共栅电流源为了抑制沟道长度调制的影响，可以采为了抑制沟道长度调制的影响，可以采用共源共栅电流源。共源共栅结构可以用共源共栅电流源。共源共栅结构可以使底部晶体管免受使底部晶体管免受VVPP变化的影响。变化的影响。共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜确定共源共栅电流源的偏置电压确定共源共栅电流源的偏置电压VVbb，，采采用共源共栅电流镜结构。用共源共栅电流镜结构。目标是确保目标是确保VVYY=V=VXX。。VVbb=V=VYY+V+VGS3GS3VVNN=V=Vxx+V+VGS0GS0选择选择(W/L)(W/L)33/(W/L)/(W/L)00=(W/L)=(W/L)22/(W/L)/(W/L)11,,则则VVGS0GS0=V=VGS3GS3,,于是，于是，VVXX=V=VYY。。2010/11/416共源共栅电流镜共源共栅电流镜消耗了电压余度共源共栅电流镜消耗了电压余度忽略衬偏效应且假设所有晶体管都是相同的，忽略衬偏效应且假设所有晶体管都是相同的，则则PP点所允许的最小电压值点所允许的最小电压值等于等于VP=比较于余度损耗的共源共栅电流镜最小余度损耗的共源共栅电流源2010/11/417共源共栅电流镜低低电压工作（大输出摆幅）的共源共栅电流镜电压工作（大输出摆幅）的共源共栅电流镜如图如图(a)(a)，，共源共栅输入输出短接结构，共源共栅输入输出短接结构，为使为使MM11和和MM22处于饱和区，处于饱和区，VVbb应满足：应满足：得到，Vb有解考察图考察图(b)(b)，所有晶体管均处于饱和区，，所有晶体管均处于饱和区，选择合适的器件尺寸，使选择合适的器件尺寸，使VVGS2GS2=V=VGS4GS4，若选择，若选择M3~M4M3~M4消耗的电压余度最小消耗的电压余度最小(M3(M3与与M4M4过驱动电压过驱动电压之和之和))，且可以精确复制，且可以精确复制IIREFREF（（VVDS3DS3=V=VDS1DS1）。）。2010/11/418共源共栅电流镜低压的共源共栅电流镜中的偏置低压的共源共栅电流镜中的偏置VVbb如何产生？如何产生？设计思路设计思路::应使应使VVAA=V=VGS1GS1--VVTH1TH1，，让让VVbb等于（或稍稍大于）等于（或稍稍大于）VVGS2GS2+(V+(VGS1GS1--VVTH1TH1)),,例例11：在图：在图aa中，选择中，选择I1I1和器件的尺寸，使和器件的尺寸，使MM55产生产生VVGS5GS5≈≈VVGS2GS2，进一步调整，进一步调整MM66的尺寸和的尺寸和RRbb的阻值，使的阻值，使VVDS6DS6＝＝VVGS6GS6--RRbbII11≈≈VVGS1GS1--VVTH1TH1。。缺点：由于缺点：由于①①M2M2有衬偏效应，而有衬偏效应，而M5M5没有没有②②实际中实际中RRbbII11大小不好控制，产生误差大小不好控制，产生误差。。例例22：在图：在图bb中，采用二极管连接的中，采用二极管连接的M7M7代替电阻。代替电阻。在一定在一定I1I1下，选择大下，选择大(W/L)(W/L)77，从而，从而VVGS7GS7≈≈VVTH7TH7，，这样这样VVbb=V=VGS5GS5+V+VGS6GS6--VVTH7TH7缺点：虽然不需要电阻，但缺点：虽然不需要电阻，但①①M2M2有衬偏效应，有衬偏效应，而而M5M5没有，仍会产生误差。没有，仍会产生误差。因此，设计中给出余量以确保因此，设计中给出余量以确保M1M1和和M2M2处于饱和区。处于饱和区。33、有源电流镜、有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜2010/11/420电流镜作负载的差动对电流镜作负载的差动对电流镜作负载的差动对大信号分析大信号分析VVin1in1--VVin2in2足够负时，足够负时，MM11、、MM33和和MM44均均关断，关断，MM22和和MM55工作在深线性区，传工作在深线性区，传输的电流为输的电流为00，，VVoutout=0=0；；随随VVin1in1--VVin2in2增长，增长，MM11开始导通，使开始导通，使IID5D5的一部分流经的一部分流经MM33，，MM44开启，开启，VVoutout增增长长当当VVin1in1和和VVin2in2相当时，相当时，M2M2和和M4M4都处于都处于饱和区，产生一个高增益区。饱和区，产生一个高增益区。当当VVin1in1--VVin2in2变得正的多时，变得正的多时，IID1D1↑↑，，|I|ID3D3||↑↑，，|ID4||ID4|↑↑，，ID2ID2↓↓，，最终导致最终导致MM44进入线性区进入线性区当当VVin1in1--VVin2in2足够正时，足够正时，MM22关断，关断，MM44的的电流为电流为00且处于深线性区，且处于深线性区，VVoutout＝＝VVDDDD2010/11/421电流镜作负载的差动对输入共模电压的选择输入共模电压的选择为使为使M2M2饱和，输出电压不能小饱和，输出电压不能小于于VVin,CMin,CM--VVTHTH，，因此，为提高输因此，为提高输出摆幅，应采用尽量低的输入出摆幅，应采用尽量低的输入共模电平，输入共模电平的最共模电平，输入共模电平的最小值为小值为VVGS1,2GS1,2+V+VDS5,minDS5,min。。当当VVin1in1=V=Vin2in2时，电路的输出电压时，电路的输出电压VVoutout=V=VFF=V=VDDDD--|V|VGS3GS3||2010/11/422电流镜作负载的差动对小信号分析小信号分析（忽略衬偏效应）（忽略衬偏效应）利用利用计算计算GGmmgm1Vin/2gm1Vin/2gm2Vin/2得到，2010/11/423电流镜作负载的差动对计算计算RRoutoutMM11和和MM22用一个用一个RRXYXY=2r=2rO1,2O1,2代替，代替，RRXYXY从从VVXX抽取的电流抽取的电流以单位增益以单位增益((近似近似))，由，由MM33镜像到镜像到MM44。。则，则，若若2r2rO1,2O1,2(1/g(1/gm3m3)||r)||rO3O3,,总增益总增益2010/11/424电流镜作负载的差动对共模特性共模特性电路不存在器件失配时电路不存在器件失配时忽略忽略rrO1,2O1,2，，并假设并假设1/(2g1/(2gm3,4m3,4)r)rO3,4O3,4,,则，则，2010/11/425电流镜作负载的差动对电路存在器件失配时电路存在器件失配时忽略忽略rrO1O1和和rrO2O2的影响，的影响，考虑到结点考虑到结点FF和和XX的变化相对较小，的变化相对较小，等效为源跟随器结构2010/11/426电流镜作负载的差动对IID4D4的变化量为的变化量为gm3=gm4，忽略rO1和rO2的影响，则电路的输出阻抗为rO4，因此，若rO31/gm3比无器件失配时多此项总结对电流源的要求可调、精确、稳定(PTV)基于IREF用电流镜得到所需电流基本电流镜合理设计尺寸比可获得期望电流沟道长度调制效应引起精度降低L取相同，W基于单元MOS管并联共源共栅电流镜提高了输出电阻，实现了高精度牺牲了输出电压摆幅降低Vb值能增大摆幅电流镜做负载的差分放大器将差分输入转换为单端输出差分增益共模增益会影响差分放大器性能；高频时、存在失配时更严重2010/11/429小结小结小结电流镜电流镜VVTHTH+V+VODOD2V2VODOD1/g1/gmmggmmrrOO22好好大输出摆大输出摆幅的幅的cascodecascode2(V2(VTHTH+V+VODOD))VVTHTH+2V+2VODOD2/g2/gmmggmmrrOO22好好cascodecascodeVVTHTH+V+VODODVVODOD=V=VGSGS--VVTHTH1/g1/gmmrrOO差差基本基本最小输入电压最小输入电压最小输出电压最小输出电压输入阻抗输入阻抗输出阻抗输出阻抗精度精度电流镜电流镜电流镜作负载的差动对电流镜作负载的差动对增益增益Av=Av=ggmmRRoutout=g=gmm(r(rO1,2O1,2||r||rO3,4O3,4))共模特性要比全差动电路差共模特性要比全差动电路差ssI1