第5章-电流镜

模拟模拟模拟模拟CMOSCMOSCMOSCMOS集成电路设计集成电路设计集成电路设计集成电路设计第第第第5555章章章章无源与有源电流镜无源与有源电流镜无源与有源电流镜无源与有源电流镜谈俊燕本章重点•基本电流镜•基本电流镜一•共源共栅电流镜•共源共栅电流镜二•有源电流镜•有源电流镜三•小结•小结四第2页简单偏置的电流源简单偏置的电流源简单偏置的电流源简单偏置的电流源2222THTHTHTHDDDDDDDD111122222222oxoxoxoxnnnnOUTOUTOUTOUT))))VVVVVVVVRRRRRRRRRRRR((((LLLL≈上式说明上式说明上式说明上式说明Iout受很多因素影响受很多因素影响受很多因素影响受很多因素影响：：：：电源电源电源电源、、、、工艺工艺工艺工艺(不同晶片不同晶片不同晶片不同晶片VTH可能会有可能会有可能会有可能会有±±±±100mV的误差的误差的误差的误差)、、、、温度温度温度温度(μμμμn，，，，VTH都受温都受温都受温都受温度的影响度的影响度的影响度的影响)。。。。因此因此因此因此Iout很难确定很难确定很难确定很难确定。。。。特别是为使特别是为使特别是为使特别是为使M1消耗消耗消耗消耗较少的电压余度而采用较小的偏置电压时较少的电压余度而采用较小的偏置电压时较少的电压余度而采用较小的偏置电压时较少的电压余度而采用较小的偏置电压时，，，，这个问这个问这个问这个问题更严重题更严重题更严重题更严重。。。。例如例如例如例如，，，，若若若若Von1＝＝＝＝200mV，，，，VTH有有有有50mV的误差就会使输出电流产生的误差就会使输出电流产生的误差就会使输出电流产生的误差就会使输出电流产生44%%%%的误差的误差的误差的误差。。。。如何产生精度如何产生精度如何产生精度如何产生精度、、、、稳定性均较好的电流源稳定性均较好的电流源稳定性均较好的电流源稳定性均较好的电流源?•基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜一一一一用基准来产生电流源用基准来产生电流源用基准来产生电流源用基准来产生电流源用相对较复杂的电路用相对较复杂的电路用相对较复杂的电路用相对较复杂的电路(有时需要外部的有时需要外部的有时需要外部的有时需要外部的调整调整调整调整)来产生一个稳定的基准电流来产生一个稳定的基准电流来产生一个稳定的基准电流来产生一个稳定的基准电流IREF。。。。在模拟电路中在模拟电路中在模拟电路中在模拟电路中，，，，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流IREF的复制的复制的复制的复制(IREF常由基常由基常由基常由基准电路准电路准电路准电路(第第第第11章章章章)产生产生产生产生，，，，这里不作讨论这里不作讨论这里不作讨论这里不作讨论)，，，，从而得到众多的电流源从而得到众多的电流源从而得到众多的电流源从而得到众多的电流源。。。。现在我们关心现在我们关心现在我们关心现在我们关心的是的是的是的是，，，，如何产生一个基准电流的精确复制呢如何产生一个基准电流的精确复制呢如何产生一个基准电流的精确复制呢如何产生一个基准电流的精确复制呢？？？？•基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜一一一一基准电流的简单基准电流的简单基准电流的简单基准电流的简单““““复制复制复制复制””””2222nOXnOXnOXnOXREF1GSTNREF1GSTNREF1GSTNREF1GSTNμCWμCWμCWμCWI=()(V-V)I=()(V-V)I=()(V-V)I=()(V-V)2L2L2L2L2222nOXnOXnOXnOXout2GSTNout2GSTNout2GSTNout2GSTNμCWμCWμCWμCWI=()(V-V)I=()(V-V)I=()(V-V)I=()(V-V)2L2L2L2L2222outREFoutREFoutREFoutREF1111(W/L)(W/L)(W/L)(W/L)I=II=II=II=I(W/L)(W/L)(W/L)(W/L)基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜中基本电流镜中基本电流镜中基本电流镜中，，，，若不考虑沟道若不考虑沟道若不考虑沟道若不考虑沟道调制效应调制效应调制效应调制效应：：：：该式表明该式表明该式表明该式表明Iout是是是是IREF的复制且不受电源电压的复制且不受电源电压的复制且不受电源电压的复制且不受电源电压、、、、温度和工艺的影响温度和工艺的影响温度和工艺的影响温度和工艺的影响。。。。事实上事实上事实上事实上，，，，VDS1通常是不变的通常是不变的通常是不变的通常是不变的，，，，而而而而VDS2与与与与Iout连接的节点电压有关连接的节点电压有关连接的节点电压有关连接的节点电压有关，，，，一般而言一般而言一般而言一般而言，，，，这个节这个节这个节这个节点的电压是随输入信号变化而变化的点的电压是随输入信号变化而变化的点的电压是随输入信号变化而变化的点的电压是随输入信号变化而变化的，，，，λ≠λ≠λ≠λ≠0时时时时，，，，Iout不可能是不可能是不可能是不可能是IREF的的的的““““精确精确精确精确””””复制复制复制复制。。。。•基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜一一一一基本电流镜的误差基本电流镜的误差基本电流镜的误差基本电流镜的误差))))VVVVλλλλ(1(1(1(1))))VVVV(V(V(V(V))))LLLL((((kkkk22221111IIIIIIIIDS,1DS,1DS,1DS,111112222TH,1TH,1TH,1TH,1GS,1GS,1GS,1GS,11111n,1n,1n,1n,1refrefrefrefD1D1D1D1+-′==))))VVVVλλλλ(1(1(1(1))))VVVV(V(V(V(V))))LLLL((((kkkk22221111IIIIIIII,2,2,2,2DSDSDSDS22222222TH,2TH,2TH,2TH,2GS,2GS,2GS,2GS,22222n,2n,2n,2n,2outoutoutoutD2D2D2D2+-′==DS1DS1DS1DS1DS2DS2DS2DS2refrefrefrefoutoutoutoutλVλVλVλV1111λVλVλVλV1111IIIIIIII++=电流镜中所有电流镜中所有电流镜中所有电流镜中所有MOS管取相同的沟道长度管取相同的沟道长度管取相同的沟道长度管取相同的沟道长度L，，，，以减小源漏区边缘扩散以减小源漏区边缘扩散以减小源漏区边缘扩散以减小源漏区边缘扩散(LD)所产生的所产生的所产生的所产生的误差误差误差误差。。。。Iout如何精如何精如何精如何精确复制确复制确复制确复制Iref?•基本电流镜基本电流镜基本电流镜基本电流镜一一一一基本共源共栅电流镜基本共源共栅电流镜基本共源共栅电流镜基本共源共栅电流镜选择选择选择选择Vb使使使使VX=VY,Iout即是即是即是即是IREF的精确复制的精确复制的精确复制的精确复制!即使即使即使即使VP变化变化变化变化,因因因因ΔΔΔΔVY=ΔΔΔΔVP/(gm3r03),故故故故VX≈≈≈≈VY,Iout≈≈≈≈IREF。。。。注意注意注意注意,这是这是这是这是靠牺牲电压余度来获得的精度靠牺牲电压余度来获得的精度靠牺牲电压余度来获得的精度靠牺牲电压余度来获得的精度!M0、、、、M3选择合适的宽长比使选择合适的宽长比使选择合适的宽长比使选择合适的宽长比使VGS0＝＝＝＝VGS3，，，，则则则则VX=VY。。。。•共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜二二二二基本共源共栅电流镜的摆幅问题基本共源共栅电流镜的摆幅问题基本共源共栅电流镜的摆幅问题基本共源共栅电流镜的摆幅问题例例例例5.4画出画出画出画出VX从一从一从一从一个大的正电压下降个大的正电压下降个大的正电压下降个大的正电压下降时时时时IX和和和和VB的草图的草图的草图的草图。。。。当当当当M3刚退出饱和时刚退出饱和时刚退出饱和时刚退出饱和时VDS3=Von3,因因因因M3退出饱退出饱退出饱退出饱和以前可以认为和以前可以认为和以前可以认为和以前可以认为VB基本不变基本不变基本不变基本不变(△△△△VB≈△△△△VA/(gm3r03)),即即即即VB=VA=VGS1(2),故当故当故当故当M3刚退出饱和时有刚退出饱和时有刚退出饱和时有刚退出饱和时有:Xminon3Xminon3Xminon3Xminon3B(A)B(A)B(A)B(A)on3TTon3TTon3TTon3TTGS1(2)GS1(2)GS1(2)GS1(2)on3on2Ton3on2Ton3on2Ton3on2TV=V+VV=V+VV=V+VV=V+V=V+(V-V)+V=V+(V-V)+V=V+(V-V)+V=V+(V-V)+V=V+V+V=V+V+V=V+V+V=V+V+V这比这比这比这比M2和和和和M3同时退出饱同时退出饱同时退出饱同时退出饱和时的和时的和时的和时的：：：：VXmin=Von3+Von2大了一个开启电压大了一个开启电压大了一个开启电压大了一个开启电压VT这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失!M2退出饱和退出饱和退出饱和退出饱和M3退出饱和退出饱和退出饱和退出饱和•共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜二二二二基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因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分析基本共源共栅电流镜输出摆幅损失了分析基本共源共栅电流镜输出摆幅损失了分析基本共源共栅电流镜输出摆幅损失了一个阈值电压一个阈值电压一个阈值电压一个阈值电压VT的原因不难发现的原因不难发现的原因不难发现的原因不难发现:由于由于由于由于M3退出饱和时退出饱和时退出饱和时退出饱和时VB基本不变基本不变基本不变基本不变,故为使故为使故为使故为使:VXmin=Von3+Von2必须使必须使必须使必须使M2在正常工作时在正常工作时在正常工作时在正常工作时VB≈Von2(1),由于由于由于由于VA=VB,也即也即也即也即VA≈Von2(1),然而然而然而然而在基本共源共栅镜中在基本共源共栅镜中在基本共源共栅镜中在基本共源共栅镜中VA=VGS1=Von1+VT,显然显然显然显然,为减小基本共源共栅为减小基本共源共栅为减小基本共源共栅为减小基本共源共栅电流镜输出摆幅的损失必须减小电流镜输出摆幅的损失必须减小电流镜输出摆幅的损失必须减小电流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小的大小的大小的大小。。。。•共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜二二二二低压共源共栅电流镜的原理低压共源共栅电流镜的原理低压共源共栅电流镜的原理低压共源共栅电流镜的原理上图中上图中上图中上图中VA=VGS1-VDS2，，，，若选取若选取若选取若选取VDS2≈VT,则则则则：：：：VB=VA≈Von1(3),于是于是于是于是:VXmin=Von4+Von3,比基本共源共栅电流比基本共源共栅电流比基本共源共栅电流比基本共源共栅电流镜减小了一个阈值电压镜减小了一个阈值电压镜减小了一个阈值电压镜减小了一个阈值电压VT,低压共源共栅电流镜由此得低压共源共栅电流镜由此得低压共源共栅电流镜由此得低压共源共栅电流镜由此得名名名名。。。。•共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜共源共栅电流镜二二二二低压共源共栅电流镜低压共源共栅电流镜低压共源共栅电流镜低压共源共栅电流镜VVVVbbbb的产生的产生的产生的产生左图中左图中左图中左图中,若若若若(W/L)1〜〜〜〜4=1,(W/L)5=1/4,记记记记Von=VGS-VT,若