第5章无源和有源电流镜课件

模拟集成电路原理第5章无源与有源电流镜1学习交流PPT本讲电流镜基本电流镜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2学习交流PPT明确几个概念电流源Currentsource电流沉Currentsink电流镜CurrentMirror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3学习交流PPT本讲电流镜基本电流镜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4学习交流PPT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阻、电容、噪声等如何电路实现并可设、精确、稳定？5学习交流PPT基于电阻分压的电流源q电流值对工艺、电源、温度等变电流值对工艺、电源、温度等变化敏感化敏感v不同芯片阈值偏差可达不同芯片阈值偏差可达100mVv n、VTH随温度变化随温度变化q输出电压范围输出电压范围v大于大于M1管的管的VOV即可即可q为了输出电压范围较大，为了输出电压范围较大，VOV取取典型值典型值200mVv若若VTH改变改变50mV，则，则IOUT改变改变44评价：评价：电流值无法精电流值无法精确、稳定，很难实用确、稳定，很难实用6学习交流PPT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、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7学习交流PPT基本电流镜等量复制镜面镜面基本电流镜基本电流镜Iout也可以不等于也可以不等于IREF忽略了忽略了 的影响（会影响复制精度）的影响（会影响复制精度）8学习交流PPT基本电流镜比例复制设计者通过合理设计设计者通过合理设计M1和和M2管的尺寸比，管的尺寸比，即可获得期望的电流即可获得期望的电流若若IREF精准、稳定，合理设计精准、稳定，合理设计M1管和管和M2管的尺寸和位管的尺寸和位置，使它们的置，使它们的VTH、n、COX等工艺参数匹配度高、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比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout9学习交流PPT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高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负载管做负载的差分放大器的差分放大器10学习交流PPT高输出摆幅的差分放大器见教材见教材P104，图，图4.3311学习交流PPT单级共源放大器M1管偏置在饱和区，漏电流为管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1若要求若要求Av=-10，当，当VOV1=200mV、VTH=0.7V时，时，VSG2=1.2V。若。若VDD=3.3V，则，则Vout不能大于不能大于2.1V提高输出摆幅提高输出摆幅12学习交流PPT电流镜中晶体管的L通常设计为相同为什么取为什么取L1=L2？横向扩散和场横向扩散和场氧化层侵蚀会氧化层侵蚀会使使Leff Ldrawn、Weff Wdrawn13学习交流PPT电流镜中晶体管的L通常设计为相同当当L1=L2时时当当L1 L2时时结论：结论：取取L1=L2，便于，便于获得期望的精确获得期望的精确电流值电流值14学习交流PPT电流镜中晶体管的W的取值方法当当W1=W2时时当当W1 W2时时取取Wdrawn1=mWcell，Wdrawn2=nWcell，m、n为整数为整数电流复制精度取决电流复制精度取决于于W之间的比值之间的比值通过多个单元晶体管通过多个单元晶体管并联实现并联实现M1和和M215学习交流PPT电流镜中晶体管的W的取值方法16学习交流PPT基本电流镜的不足电流复制误差较大，受电流复制误差较大，受 影响影响沟道长度小时，误差会很大沟道长度小时，误差会很大第二项由第二项由工艺决定工艺决定通常通常VDS2都不等于都不等于VDS1，导致误差，导致误差解决方法：解决方法：采用共源共栅结构，采用共源共栅结构，提高输出电阻提高输出电阻17学习交流PPT本讲电流镜基本电流镜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18学习交流PPT原理合理设计合理设计Vb的的值，使值，使VY=VX，则则Iout可以非常接近可以非常接近IREF，并且，并且Iout对对VP变化不敏感变化不敏感因为共源共栅级能屏蔽因为共源共栅级能屏蔽VP对对VY的影响的影响代价：代价：牺牲了输出电压摆幅牺牲了输出电压摆幅没有没有M3管时：管时：有有M3管时：管时：如何产生如何产生Vb？19学习交流PPT共源共栅级的屏蔽特性Vout端有端有 Vout的电压跳变时，表现在的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响小，屏蔽了输出节点对输入管的影响XX20学习交流PPTVb产生方法使使VY=VX对对Vb有什么要求？有什么要求？只要只要VGS0=VGS3，即可，即可VX=VY 只需只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)121学习交流PPTVb产生方法（续）只要只要VGS0=VGS3，即可，即可VX=VY 只需只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1有体效应时亦成立有体效应时亦成立22学习交流PPT大信号特性M2管开始退管开始退出饱和区，输出饱和区，输出电阻开始大出电阻开始大幅度下降幅度下降M3管开始退管开始退出饱和区出饱和区考察考察Vx逐渐下逐渐下降的过程降的过程23学习交流PPT输出摆幅问题优点提高了输出电阻，从而提高了电流复制精度高缺点降低了输出摆幅如何提高输如何提高输出摆幅？出摆幅？24学习交流PPT提高输出摆幅提高方法降低Vb的值原理要保证要保证M1和和M2都工作在饱和都工作在饱和区，需要区，需要Vb满足：满足：输出电压的最小值：输出电压的最小值：Vb取最小允许值时，取最小允许值时，Vout,min最小，输出摆幅此时最大最小，输出摆幅此时最大 Vb的最小值为：的最小值为：在提高摆幅的同时，仍有在提高摆幅的同时，仍有VA=VB，仍可保证高精度复制电流，仍可保证高精度复制电流25学习交流PPTVb的产生方法 对对Vb的要求：的要求：合理设计合理设计I1、(W/L)5和和Rb的的值，可以得到期望的值，可以得到期望的Vb,min实际设计时要留出一定余量，实际设计时要留出一定余量，以确保以确保M1、M2能可靠地工能可靠地工作在饱和区作在饱和区26学习交流PPT本讲电流镜基本电流镜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27学习交流PPT有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜28学习交流PPT有源电流镜做负载的差分放大器重要作用：重要作用：将差分输入转换成单端输出将差分输入转换成单端输出29学习交流PPT大信号特性完全对称时：完全对称时：很少在开环下用来放大信号，很少在开环下用来放大信号，Vout很难由设计者设定很难由设计者设定30学习交流PPT小信号特性差分增益不能用半电路法分析该电路不能用半电路法分析该电路因为因为P点不能当做交流地点不能当做交流地从从Vin到到VX和和VY的增益差别的增益差别很大，很大，VX和和VY的摆幅差别的摆幅差别很大，使得很大，使得VX和和VY对对VP的作的作用不能互相抵消用不能互相抵消求差分增益求差分增益Av？方法一：方法一：求出等效跨导求出等效跨导Gm和输出电阻和输出电阻Rout即得到即得到Av 方法二：方法二：用戴文宁定理等效输入信号后计算用戴文宁定理等效输入信号后计算 31学习交流PPT方法一Gm的计算求求Gm：将输出端接地，计算：将输出端接地，计算iout/vin即可即可在输出端接地情形时，在输出端接地情形时，P点可看作交流地点可看作交流地32学习交流PPT方法一Rout的计算为什么为什么RXY等等于于2rO1,2?画出小信号等效画出小信号等效电路，仔细推导电路，仔细推导一下即可一下即可33学习交流PPT方法一差分增益34学习交流PPT方法二戴文宁等效35学习交流PPT方法二戴文宁等效如何求如何求Veq和和Req?画出小信号等效电路，画出小信号等效电路，仔细推导一下即可仔细推导一下即可36学习交流PPT方法二戴文宁等效画出小信号等效电路，推导得：画出小信号等效电路，推导得：与方法一结果同与方法一结果同37学习交流PPT小信号特性共模增益定义单端输出的差分放大定义单端输出的差分放大器的共模增益为：器的共模增益为：由于电路对称，对于任由于电路对称，对于任何何Vin,CM，均有，均有VF=VX所以，在分析共模增益所以，在分析共模增益时可将时可将VF与与VX短接短接38学习交流PPT小信号特性共模增益带源极负反带源极负反馈的放大级馈的放大级即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变化；即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变化；高频时高频时RSS减小，更严重影响差分放大器性能减小，更严重影响差分放大器性能39学习交流PPT小信号特性CMRR40学习交流PPT小信号特性存在失配时的共模增益M1和和M2因失配导致跨导不一样因失配导致跨导不一样计算思路：计算思路：由由vin,CM求出求出vP；再计算；再计算iD1和和iD2；由；由iD1求求出出iD4；iD2和和iD4之差乘以输出阻抗，即为之差乘以输出阻抗，即为vout41学习交流PPT总结对电流源的要求可调、精确、稳定基于IREF用电流镜的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42学习交流PPT总结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43学习交流PPT作业5.3，5.6，5.8应用本章内容44学习交流PPT