CMOS模拟集成电路设计ch5电流镜课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电流镜,*,CMOS模拟集成电路设计,电流镜,11/10/2024,1,电流镜,CMOS模拟集成电路设计电流镜9/23/20231电流镜,提纲,1、基本电流镜,2、共源共栅电流镜,3、电流镜作负载的差动对,11/10/2024,2,电流镜,提纲1、基本电流镜9/23/20232电流镜,Review：MOS电流源,处于饱和区的MOS管可以作为一种电流源,11/10/2024,3,电流镜,Review：MOS电流源处于饱和区的MOS管可以作为一种电,1、基本电流镜,电流源的设计是基于对基准电流的“复制”；,两个都工作在,饱和区,且具有,相等栅源电压,的,相同晶体管,传输,相同的电流,（忽略沟道长度调制效应）。,11/10/2024,4,基本电流镜,1、基本电流镜电流源的设计是基于对基准电流的“复制”；9/2,按比例复制电流,（,忽略沟道长度调制效应,）,得到,该电路可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响；I,out,与I,REF,的比值由器件尺寸的比率决定。,忽略沟道长度调制效应！,11/10/2024,5,基本电流镜,按比例复制电流得到该电路可以精确地复制电流而不受工艺和温度的,例子：,实际设计中，所有晶体管,采用相同的栅长,，以减小由于源漏区边缘扩散所产生的误差。,采用叉指结构。,如图，每个叉指的W为50.1m，则M,1,和M,2,的实际的W为：,W,1,50.1m,W,2,4(50.1)m,则I,OUT,/I,REF,=4(50.1)/(50.1)=4,4,I,REF,I,OUT,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？,11/10/2024,6,基本电流镜,例子：4IREFIOUT版图设计请同学们思考：如果不采用叉指,沟道长度调制效应使得电流镜像产生极大误差，,因此,2、共源共栅电流镜,11/10/2024,7,共源共栅电流镜,沟道长度调制效应使得电流镜像产生极大误差，因此2、共源共栅电,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。共源共栅结构可以使底部晶体管免受V,P,变化的影响。,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V,b,，采用共源共栅电流镜结构。,11/10/2024,8,共源共栅电流镜,共源共栅电流源9/23/20238共源共栅电流镜,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,V,P,=,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,11/10/2024,9,共源共栅电流镜,共源共栅电流镜消耗了电压余度VP=比较于余度损耗的共源共栅,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M,1,和M,2,处于饱和区，V,b,应满足：,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V,GS2,=V,GS4,，若选择,M,3,M,4,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,。,得到,，,V,b,有解,11/10/2024,10,共源共栅电流镜,低电压工作（大输出摆幅）的共源共栅电流镜得到,低压的共源共栅电流镜中的偏置V,b,如何产生？,设计思路:,让V,b,等于（或稍稍大于）V,GS2,+(V,GS1,-V,TH1,),例1：在图a中，选择I,1,和器件的尺寸，使M,5,产生V,GS5,V,GS2,，进一步调整M,6,的尺寸和R,b,的阻值，使V,DS6,V,GS6,-R,b,I,1,V,GS1,-V,TH1,。,缺点：由于M2有衬偏效应，而M5没有 实际中R,b,I,1,大小不好控制，产生误差。,例2：在图b中，采用二极管连接的M,7,代替电阻。在一定I,1,下，选择大(W/L),7,，从而V,GS7,V,TH7,，这样V,b,=V,GS5,+V,GS6,-V,TH7,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。,11/10/2024,11,共源共栅电流镜,低压的共源共栅电流镜中的偏置Vb如何产生？9/23/2023,3、电流镜作负载的差动对,3.1大信号分析,V,in1,-V,in2,足够负时，M,1,、M,3,和M,4,均关断，M,2,和M,5,工作在深线性区，传输的电流为0，V,out,=0；,随V,in1,-V,in2,增长，M,1,开始导通，使I,D5,的一部分流经M,3,，M,4,开启，V,out,增长,当V,in1,和V,in2,相当时，M2和M4都处于饱和区，产生一个高增益区。,当V,in1,-V,in2,变得正的多时，I,D1,，|I,D3,|，|I,D4,|的趋势，I,D2,，最终导致M,4,进入线性区,当V,in1,-V,in2,足够正时，M,2,关断，M,4,的电流为0且处于深线性区，V,out,V,DD,11/10/2024,12,电流镜作负载的差动对,3、电流镜作负载的差动对3.1大信号分析9/23/20231,输入共模电压的选择,为使M2饱和，输出电压不能小于V,in,CM,-V,TH,，因此，为了提高输出摆幅，应采用尽量低的输入共模电平，输入共模电平的最小值为V,GS1,2,+V,DS5,min。,当V,in1,=V,in2,时，电路的输出电压V,out,=V,F,=V,DD,-|V,GS3,|,11/10/2024,13,电流镜作负载的差动对,输入共模电压的选择9/23/202313电流镜作负载的差动对,3.2 小信号分析,（忽略衬偏效应）,方法一,利用,计算G,m,g,m1,V,in,/2,g,m1,V,in,/2,g,m2,V,in,/2,得到，,11/10/2024,14,电流镜作负载的差动对,3.2 小信号分析gm1Vin/2gm1Vin/2gm2Vi,计算Rout,M,1,和M,2,用一个R,XY,=2r,O1,2,代替，R,XY,从V,X,抽取的电流以单位增益(近似)，由M,3,镜像到M,4,。则，,若2r,O1,2,(1/g,m3,)|r,O3,电路增益：,11/10/2024,15,电流镜作负载的差动对,计算Rout 若2rO1,2(1/gm3)|rO3,方法二,（利用戴维南定理）,V,eq,=g,m1,2,r,O1,2,V,in,R,eq,=2r,O1,2,流经R,eq,的电流I,X,部分通过1/g,m3,，并以单位增益被镜像到M,4,若2r,O1,2,(1/g,m3,4,)|r,O3,4,I,X1,+,I,X1,11/10/2024,16,电流镜作负载的差动对,方法二（利用戴维南定理）IX1+IX1 9/23/2023,3.3 共模特性,电路不存在器件失配时,忽略r,O1,2,，并假设1/(2g,m3,4,)r,O3,4,则，,11/10/2024,17,电流镜作负载的差动对,3.3 共模特性忽略rO1,2，并假设1/(2gm3,4)1/g,m3,比无器件失配时多此项,Vgs3Vgs4,11/10/2024,19,电流镜作负载的差动对,ID1乘上M3的输出电阻得到vgs3，vgs3=vgs4，,小结,1、基本电流镜电路复制,2、共源共栅电流镜提高复制精度,3、大输出摆幅的共源共栅电流镜,4、电流镜作负载的差动对,11/10/2024,20,电流镜,小结1、基本电流镜电路复制9/23/202320电流镜,