电流镜

微电子器件与电路微电子器件与电路模拟集成电路设计基础华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室主讲教师：李国刚助教：黄炜炜（电流镜）电流镜„简单电流镜„改进的电流镜„简单电流镜版图1M2M3M4M1I2I3I4ICopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜电流镜是CMOS集成电路中的基本模块，被广泛应用于模拟集成电路设计。理想的电流源能在很大范围内产生或抽取一个固定的电流，其输出电阻应该无限大。但是在实际的电路设计输出阻抗并不能做到无限大，而且为了使各个MOS管能工作于饱和区，其输出摆幅也有一定限制，这些都会影响电流源的最终性能。在本节课中针对不同MOS电流镜讨论其设计和版图问题。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜1M2M1I2I如图所示是一个基本的电流镜，当M1和M2管都工作于饱和区，由于12GSGSVV=理想情况下，M1和M2的漏电流满足一定的比例关系21111()()2DnoxMGSTHWICVVLμ=−22221()()2DnoxMGSTHWICVVLμ=−CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜12GSGSVV=2211(/)(/)DMDMIWLIWL=所以因为通过调整M1管和M2管的宽长比的比值，可以得到期望的输出电流值。电路的关键特性是可以精确的复制电流而不随着工艺和温度的影响。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜前面我们讨论的都是理想情况下的电流镜，忽略了沟道长度调制效应的影响。事实上沟道长度效应会使镜像得到的电流产生极大的误差。特别是某些时候需要减小电流源输出电容时选用最小沟道长度时，该效应尤为明显。接下来我们讨论考虑沟道长度调制效应时电流镜的特性。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜1M2MrefI考虑沟道长度调制效应的电流镜21111()()(1)2DnoxMGSTHDSWICVVVLμλ=−+22221()()(1)2DnoxMGSTHDSWICVVVLμλ=−+222111(/)1(/)1DMDSDMDSIWLVIWLVλλ+=×+CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜minV电流镜的作用在于复制电流信号电流镜的特性好不好可以由两个参数来衡量电流源的等效输出阻抗，可以反映输出电流的平坦度。电流源正常工作时的最小工作电压。OUTRCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜1M2MrefI1VOUTIOUTRminVOUTIGV(1/)OUTSlopeR=GTHVV−OUTV11DSOUTDDDdsVRIdIIdVλλλ+==≈对NMOS电流沉而言min()221DSsatMGSTHTHVVVVVV==−=−CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路增加电流镜的输出电阻可以增加避免沟道长度调制效应对电流复制精度的影响：所以在这一部分中我们将简单介绍一些改进型的电流镜。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路方法1：在不改变宽长比的情况下增加MOS的沟道长度可以减小沟道长度调制系数，从而增加等效输出电阻。优点：最小工作电压不变，结构简单缺点：沟道长度变化不明显时，调制系数变化不明显。沟道长度太大的话又太占版图面积且增加等效输出电容。OUTIOUTV0.5Lu=5Lu=CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路方法2：使用共源共栅电流镜3M4M1M2M共源共栅电流镜可以将输出阻抗近似增加倍。22mogr达到221moogrr如此也可以减小沟道长度调制效应对电流镜复制精度的影响。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路2V(2)2GSTHTHodTHTHodVVVVVVV=−=+−=+min优点：结构简单，输出电阻增加约为一个MOS的本征增益倍缺点：减小了输出端的电压裕度。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路1M2M3M4M方法3：改进的共源共栅电流镜优点：结构简单，输出电阻和共源共栅级一样，且避免减少电流输出端的电压裕度。缺点：电阻占用版图面积（电阻两端压降0.15-0.3V，电流小时需要大电阻）CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路方法4：改进的共源共栅电流镜优点：结构简单，输出电阻和共源共栅级一样，且避免减少电流输出端的电压裕度。1M2M5M3M4MrefIrefI1/11/11/11/11/42THOVVV+THOVVV+OVVOVVCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路1M2M3M4M方法5：源级负反馈电流镜特点：M1和M3工作在饱和区，等效电阻Rs，则该类电流镜的等效输出阻抗为。22mosgrR优点：既增加了输出阻抗，又避免像共源共栅级电流镜一样消耗大量的电压裕度。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路未改进电流镜长沟道电流镜Cascode自偏置Cascode高摆幅Cascode源端负反馈OUTRVINmin最小输出电压oNror221moogrr221moogrr221moogrrovVovV2THovVV+2ovV2ovV2ovV22moSgrRCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路电流镜的复制，需要一个参考电流Iref，那么如何得到一个Iref呢？实际上有下面几种方法可以得到参考电流：1.使用芯片外的一个电流2.设计一个与电源电压无关的并且经过温度补偿的电路来产生Iref3.利用经过温度补偿的带隙基准电压电路产生参考电流4.电阻与二极管连接的MOS得到参考电流。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路R1MXVDD21I()(1)2DnoxXTHXWCVVVLμλ=−+这里有3个需确定的量XW/LVDI、和在设计时先确定其中的两个量，然后把最后一个变量算出来，就可以将电路设计出来。XXTHMOSVVVV比如先确定宽长比，（的选择一般是比大0.15-0.3）。如此，便可以算出ID并求得R值。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室部分改进的电流镜电路这是简单的产生参考电流源的方法，事实上该方法产生的电流性能很差，随电源电压或工艺影响或温度影响偏差很大，在实际中我们一般不会使用该方法产生参考电流源。使用方法2和方法3的来产生电流源将会在以后的课程中涉及。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图在设计电流镜版图时必须考虑横向扩散和氧化层侵蚀对MOS沟道长度和沟道宽度的影响，会导致21(/)(/)WLWL这一比例发生偏差。横向扩散（DL）会导致有效沟道宽度变小，氧化层侵蚀（DW）则会导致有效宽度变小。n+n+_psubCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图1122efftefftLLDLLLDL−=−1122efftefftWWD−=−受横向扩散的影响同理受氧化层侵蚀的影响CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图显然受工艺精度的影响，实际刻蚀出来的沟道长度和宽带和期望不一样，所以为了将工艺偏差降的影响降到最小，在进行电流镜电路的设计时：①如果两个管子的宽长比相等，那么尽量让1212W=WL=L这样进行版图设计时，不会受工艺刻蚀精度的影响。②由于MOS的宽长比决定了电流镜中各支路电流的大小，一般宽长比一般不一样，所以推而求其次，让一个MOS的宽长比正好是另外一个的整数倍（N倍）。如此设计时，在布局时将大MOS拆分成N个的小MOS。这样也能避免刻蚀精度的影响。③最差的情况下，两个MOS不成整数倍，让两个MOS的宽度（或长度）一样，改变长度（或宽度）来改变宽长比。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图4/28/4宽长比相等,宽或长不一致不好布图CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图4/24/2宽长比相等,取相同长度或宽度便于布图CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图4/24/24/24/24/24/216/24/24/2M=4把电流放大4倍，采用4倍电流镜CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图两管宽长比的比成N倍，将长管拆成N个小管CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图两管宽长比的比不成整数倍，则把宽或长设成一致。把电流放大1.5倍CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图阈值电压的值对电流镜的整体精度有重大的影响，我们假设阈值电压的失配值均分在M1管和M2管上，那么受阈值电压失配的影响（假设M1和M2阈值电压失配THNVΔ）2111()(0.5)2DnoxMGSTHTHNWICVVVLμ=−−Δ2221()(0.5)2DnoxMGSTHTHNWICVVVLμ=−+ΔCopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图21THTHN22THTHN(V)(V)21DGSDGSIVVIVV−−Δ=−+ΔΔΔ=≈−Δ2THNTHNGSTH2THNGSTHGSTHV[1-]V2(V-V)V(V-V)[1+]2(V-V)由此可知因为阈值电压失配，导致电流的间的差别会很大。所以当MOS之间距离很大时，因阈值电压失配引起的电流偏差会格外的严重。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图①电流镜在布局时必须放在一起，减小阈值电压失配造成电流偏差。②对精度要求较高时，电流镜必须交叉匹配，以减少阈值电压失配引起的影响。所谓的交叉匹配就是在布局上形成对称，比如A管和B管交叉匹配，则把A和B管拆成2个（或更多），然后使用ABBA的布局（或BAAB），总之使其在空间上对称。（在本例中ABA布局或BAB布局亦可）比如在上面提到的4u/2u和6u/2u的MOS如果要求交叉匹配时，则把4u/2u拆成2个2u/2u，把6u/2u拆成2个3u/2u，然后按ABBA或BAAB进行布局。CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室简单电流镜版图CopyrightbyHuangWeiwei华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室