CMOS模拟集成电路设计_ch5电流镜.ppt

电流镜 电流镜 模拟CMOS集成电路设计 5. 电 流 镜（一） 明确几个概念 电流源 Current source 电流沉 Current sink 电流镜 Current Mirror 无源电流镜 Passive Current Mirror 用做产生直流偏置电流时 有源电流镜 Active Current Mirror 像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 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（往往会随工艺、电源、温度等变化而变化） 如何实现易设定、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100mV ?n 、VTH随温度变化 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 IREF 基准电流 由专门的电路来产生，如带隙基准源（第11章），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 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，并合理设计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，则可获得一定精度并且稳定的Iout * * 沟道长度调制效应使得电流镜像产生较大误差 共源共栅电流镜 * * 共源共栅电流源 为了抑制沟道长度调制的影响，可以采用共源共栅电流源。其屏蔽特性可以使底部晶体管免受VP变化的影响 共源共栅电流镜 确定共源共栅电流源的偏置电压Vb， 采用共源共栅电流镜结构。 目标是确保VY=VX VN=Vx+VGS3 VN=Vx+VGS0 选择(W/L)3/(W/L)0= (W/L)2/(W/L)1, 则VGS0=VGS3, VX=VY。 * * 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，则P点所允许的最小电压值等于 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 * * 低电压工作（大输出摆幅）的共源共栅电流镜 如图(a)，共源共栅输入输出短接结构， 为使M1和M2处于饱和区，Vb应满足： 得到 时 ，Vb有解 考察图(b)，所有晶体管均处于饱和区，选择合适的器件尺寸，使VGS2=VGS4，若选择 M3~M4消耗的电压余度最小(M3与M4过驱动电压之和)，且可以精确复制IREF（VDS3=VDS1）。 * * 低压的共源共栅中的偏置Vb如何产生？ 设计思路: 应使VA=VGS1-VTH1，让Vb等于（或稍稍大于） VGS2+(VGS1-VTH1) 例1：在图a中，选择I1和器件的尺寸，使M5产生VGS5≈VGS2，进一步调整M6的尺寸和Rb的阻值，使VDS6＝VGS6-RbI1 ≈VGS1-VTH1。 缺点：① M2有衬偏效应，而M5没有 ② 实际中RbI1大小不好控制 例2：在图b中，采用二极管连接的M7代替电阻。在一定I1下，选择大(W/L)7，从而VGS7 ≈VTH7，这样Vb=VGS5+VGS6-VTH7 缺点：虽然不需要电阻，但M2有衬偏效应，而M5没有，仍会产生误差。 因此，设计中给出余量以确保M1和M2处于饱和区。 * * * * 在共源共栅电流镜中，A点为一个GS电压，保证M1饱和，A的最小电压可以为VGS-Vth 电流镜 电流镜 * * * * 在共源共栅电流镜中，A点为一个GS电压，保证M1饱和，A的最小电压可以为VGS-Vth