模拟集成电路 无源与有源电流镜

2020/9/171第五章无源与有源电流镜2020/9/172简单偏置的电流源2THDD122oxnOUT)VVRRR(LW2CuI上式说明Iout受很多因素影响：电源、工艺(不同晶片VTH可能会有100mV的误差)、温度(n，VTH都受温度的影响)。因此Iout很难确定。特别是为使M1消耗较少的电压余度而采用较小的偏置电压时，这个问题更严重。例如，若Von1＝200mV，VTH有50mV的误差就会使输出电流产生44的误差。如何产生精度、稳定性均较好的电流源?2020/9/173用基准来产生电流源用相对较复杂的电路(有时需要外部的调整)来产生一个稳定的基准电流IREF。在模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流IREF的复制(IREF常由基准电路(第11章)产生，这里不作讨论)，从而得到众多的电流源。现在我们关心的是，如何产生一个基准电流的精确复制呢？2020/9/174基准电流的简单“复制”2nOXREF1GSTNμCWI=()(V-V)2L2nOXout2GSTNμCWI=()(V-V)2L2outREF1(W/L)I=I(W/L)基本电流镜基本电流镜中，若不考虑沟道调制效应：该式表明Iout是IREF的复制且不受电源电压、温度和工艺的影响。事实上，VDS1通常是不变的，而VDS2与Iout连接的节点电压有关，一般而言，这个节点的电压是随输入信号变化而变化的，0时，Iout不可能是IREF的“精确”复制。电流镜有何用途？2020/9/175电流镜运用举例2020/9/176基本电流镜的误差)Vλ(1)V(V)LW(k21IIDS,112TH,1GS,11n,1refD1)Vλ(1)V(V)LW(k21II,2DS22TH,2GS,22n,2outD2DS1DS2refoutλV1λV1II电流镜中所有MOS管取相同的沟道长度L，以减小源漏区边缘扩散(LD)所产生的误差。Iout如何精确复制Iref?2020/9/177基本共源共栅电流镜选择Vb使VX=VY,Iout即是IREF的精确复制!即使VP变化,因VY=VP/(gm3r03),故VXVY,IoutIREF。注意,这是靠牺牲电压余度来获得的精度!M0、M3选择合适的宽长比使VGS0＝VGS3，则VX=VY。2020/9/178基本共源共栅电流镜的摆幅问题例5.4画出VX从一个大的正电压下降时IX和VB的草图。当M3刚退出饱和时VDS3=Von3,因M3退出饱和以前可以认为VB基本不变(△VB≈△VA/(gm3r03)),即VB=VA=VGS1(2),故当M3刚退出饱和时有:Xminon3B(A)on3TTGS1(2)on3on2TV=V+V=V+(V-V)+V=V+V+V这比M2和M3同时退出饱和时的：VXmin=Von3+Von2大了一个开启电压VT这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失!M2退出饱和M3退出饱和2020/9/179基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因分析基本共源共栅电流镜输出摆幅损失了一个阈值电压VT的原因不难发现:由于M3退出饱和时VB基本不变,故为使:VXmin=Von3+Von2必须使M2在正常工作时VB≈Von2(1),由于VA=VB,也即VA≈Von2(1),然而在基本共源共栅镜中VA=VGS1=Von1+VT,显然,为减小基本共源共栅电流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小。2020/9/1710低压共源共栅电流镜的原理上图中VA=VGS1-VDS2，若选取VDS2≈VT,则：VB=VA≈Von1(3),于是:VXmin=Von4+Von3,比基本共源共栅电流镜减小了一个阈值电压VTH,低压共源共栅电流镜由此得名。2020/9/1711低压共源共栅电流镜Vb的产生左图中,若(W/L)1〜4=1,(W/L)5=1/4,记Von=VGS-VT,若不考虑沟道调制效应，则:VGS1〜4=VT+Von。∵VC＝VT+2Von∴VA＝VB＝Von∴V0min＝2Von该电路的缺点是为给M3和M4产生合适的偏置增加了M5支路，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低压共源共栅电流镜。2020/9/1712实用自偏置低压共源共栅电流镜假定左图所有MOS管的开启电压均为VT,若使M1～M4均饱和,IREF应满足什么要求?M3饱和时,VE≥VC-VT,即:VR=VC-VE=IREFR≤VT,TREFVI≤R故:M1饱和时,VD≥VA-VT,又因为:REFADREFGS3TREFT32IV-V=-IR+V=+V-IR≤VβREF232I≥βR(1)TREF232V≤I≤βRRT233T2V2≤R≥βRRβV(1)式有解要求:2020/9/1713例：假定＝＝0，IR=100uA，nCox＝1.4410-5AV-2M1～M8的（W/L）均为400u/5u，完成如下问题：1.求图（1）电路的Vomin，并求VA,VB的值。2.求图（2）电路的Vomin，并求VC,VD以及电阻R的值2020/9/1714带有源电流镜的差动对该电路的重要特性是将差动输入信号变成了单端输出信号，完成了“双—单端”变换也称“有源”负载2020/9/1715有源负载差动对的大信号分析大信号时,V0max=VDD,V0min=0V0min≥Vin-VTM2饱和要求:上式表明小信号时V0min依赖于输入共模电平的大小,为得到最大输出摆幅,输入共模电平必须尽可能低,输出摆幅与输入共模电平之间的矛盾是该电路的一个缺陷。静态时(Vin1=Vin2),如果电路完全对称,则VF=Vout,证明如下:假定VFVout(即ID3ID4),则由于沟道调制效应ID1ID2,因ID1=ID3,ID2=ID4,故ID3ID4,这与假设矛盾;反之也成立,故必有VF=Vout2020/9/1716利用半电路近似计算Gm/2VgI/2VgIIIinm1,2D2inm1,2D4D3D1m1,2minm1,2D4D2outgG,VgIII2020/9/1717近似计算Routro4V1/g2rV2IXm3o1,2XX3//ro)r||][1/g(2rr||rRo3m3o1,2,o4o2outRXY从VX抽取的电流1:1镜象到M4从VX抽取的电流)r||(rgAo4o2m1,2v2020/9/1718有源负载差动对的不对称摆幅Rin=1/gm3Rin=r04为理解有源差动对的不对称摆幅,假定=0,则流过M1、M2的小信号电流△I/2=gm1（2）△Vin/2大小相等,方向相反。即AX≠AYinm1(2)X01m3m3gΔVΔI１１ΔV=(//r)≈2g2gY42421200in00m()ΔV≈ΔI(r//r)≈gΔV(r//r)m1(2)XXinm3gΔVA=≈ΔV2gYY0402m1(2)inΔVA=≈g(r//r)ΔV显然AYAX2020/9/1719有源负载差动对的不对称摆幅1VXVYm3(4)03(4)A1=A2gr2020/9/1720如何求有源负载差动对的小信号增益？在有源负载的基本差分对中，因电路非完全对称，P点不再是虚地(为了简化计算，当然也可认为P点是虚地，我们稍后来作个比较)，为了帮助大家更好的理解电路，我们用戴维南定理来求其小信号增益。2020/9/1721有源负载差动对的小信号增益（1）虚框内电路对称,可用半电路虚地概念2020/9/1722有源负载差动对的小信号增益（2）inineqm202m101in01m1(2)(2)VVV=-g(-)r+gr=gVr22由KVL定理，得:eq010201(2)R=r+r=2r由戴维南定理，显然:2020/9/1723有源负载差动对的小信号增益（3）0eqXeq03(4)m3(4)1V=V+I(R+r//)g将虚框内电路看成一个大节点,由KCL可得:0331m3(4)r03(4)03(4)03(4)VV-=2gV+=2I+Irr2020/9/1724有源负载差动对的小信号增益（4）m3(4)XXX1r03(4)m3(4)03(4)03(4)m3(4)1g1I=I=II≈I11+grr+g0331Xm3(4)r03(4)03(4)03(4)VV-=2gV+=2I+I≈2Irr03(4)1XX03(4)m3(4)rI=II1r+g2020/9/1725有源负载差动对的小信号增益（5）0331Xm3(4)r03(4)03(4)03(4)VV-=2gV+=2I+I≈2Irr0eq0inm1(2)01(2)0eq03(4)01(2)V-VV-grVV-=2=2rR2r01(2)0inm1(2)01(2)03(4)r(1+)V=grVr2020/9/1726有源负载差动对的小信号增益（6）01(2)0inm1(2)01(2)03(4)r(1+)V=grVrm1(2)01(2)0Vm1(2)01(2)03(4)01(2)in03(4)grVA===g(r//r)rV1+r这就是输出结点的小信号增益！2020/9/1727有源负载差动对的小信号增益（7）m1(2)01(2)0Vm1(2)01(2)03(4)01(2)in03(4)grVA===g(r//r)rV1+r0eqm1(2)01(2)03(4)01(2)m1(2)01(2)1Xeq01(2)01(2)03(4)V-Vg(r//r-r)grI≈I==R2r2(r+r)2020/9/1728有源负载差动对的小信号增益（8）1m3(4)m1(2)01(2)3V3ininm3(4)01(2)03(4)1IggrVA=≈=VV2g(r+r)0eqininm1(2)01(2)03(4)01(2)m1(2)01(2)1Xeq01(2)01(2)03(4)V-Vg(r//r-r)VgrVI≈I==R2r2(r+r)2020/9/1729有源负载差动对的小信号增益（9）m1(2)01(2)0Vm1(2)01(2)03(4)01(2)in03(4)grVA===g(r//r)rV1+r1m3(4)m1(2)01(2)3V3ininm3(4)01(2)Vm1(2)01(03(4)2)03(4)1IggrVA=g(r//r≈=VV2gr+r))=A(2020/9/1730有源负载差动对的共模特性CMin,outCMΔVΔVA共模增益的定义:2020/9/1731有源负载差动对的共模增益m3,4m1,2SSm1,2SSm1,2o3,4m3,4CMggR2g11R2g12r||2g1A从源级看进去的阻抗负载电阻DVSmRA=1+Rg2020/9/1732m3,4m1,2SSm1,2SSm1,2o3,4m3,4CMggR2g11R2g12r||2g1A有源负载差动对的CMRRCMDMAACMRRm1,2SSm1,2m3,4o3,4o1,2m1,2g)R2g(1g)r||(rg)R2g)(1r||(rgSSm1,2o3,4o1,2m3,42020/9/1733例5.7左图中，如果VinCM使每一个输入晶体管的漏电流都产生I的变化，那么ID3、ID4也会有相同的变化，因此M4仿佛提供了M2所需的额外电流，从而输出电压不需要变化，即ACM＝0。解释这一证明中的不严密性。2020/9/1734例5.7（续）F03m31ΔV=ΔI(//r)g03D4m4Fm4m303r|I|=gΔV=gΔI1+gr0304m303outm404m303rV=(gΔI-ΔI)1ΔIr1+grr1+gr该值正好等于结点F的电压变化，这是显而易见的，因共模电压变化时，恒有VX=VY。2020/9/1735本章基本要求1.理解和掌握共源共栅电流镜为何比基本电流镜精度更高的原因，精度的提高是靠消耗更多的电压余度而获得的。2.理解和掌握低压共源共栅电流镜为何比普通共源共栅电流镜输出摆幅更小的原因。3.会求有源负载差分对的小信号增益，理解有源负载差分对的不对称输