模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第5章无源和有源电流镜

模拟集成电路原理第5章无源与有源电流镜董刚[e-mail]微电子学院12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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计3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书中出现西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计4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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计5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？西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计(确、稳定，很难实用6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随温度变化输出电压范围大于M1管的VOV即可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％IOUTnCoxWR22LR2+R1VDDVTH)2评价：电流值无法精西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计7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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计IREF=nCoxW112基本电流镜－等量复制镜面基本电流镜(VGSVTH)2LIout=ff(IREF)=IREFIREF=f(VGS)VGS=f(IREF)忽略了λ的影响（会影响复制精度）Iout也可以不等于IREF西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计8(2(29基本电流镜－比例复制IREF=nCoxW2L)1(VGSVTH)Iout=nCoxW2L)2(VGSVTH)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Iout=(W/L)2(W/L)1IREF若IREF精准、稳定，合理设计M1管和M2管的尺寸和位置，使它们的VTH、μn、COX等工艺参数匹配度高、W/L比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计10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MOS管做负载的差分放大器西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计11高输出摆幅的差分放大器见教材P104，图4.33西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计Wn(W/L)1单级共源放大器提高输出摆幅M1管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1ID2=ID14gm=2nCoxWLIDAv=gm1gm2=4n(W/L)1p(W/L)2n(WL)1(VGS1VTH1)24p()2(VGS2VTH2)2L|VGS2VTH2|(VGS1VTH1)4p(W/L)24VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则若要求Av=-10，当AvVOV1=200mV、VTH=0.7V时，Vout不能大于2.1V西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1213电流镜中晶体管的L通常设计为相同Iout=(W/L)2(W/L)1IREF为什么取L1=L2？Iout=(Weff/Leff)2(Weff/Leff)1IREF=Weff2Leff1Weff1Leff2IREF横向扩散和场氧化层侵蚀会使Leffdrawn、WeffdrawnLeff=LdrawnDLWeff=WdrawnDW西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计==14电流镜中晶体管的L通常设计为相同Iout=(Weff/Leff)2(Weff/Leff)1IREF=Weff2Leff1Weff1Leff2IREF当L1=L2时当L12时Leff1Leff2=Ldrawn12LDLdrawn1Leff1Ldrawn12LDLdrawn1Ldrawn22LDLdrawn2Leff2Ldrawn22LDLdrawn2结论：取L1=L2，便于获得期望的精确电流值西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计于W之间的比值=Iout=IREF=Wdrawn1DWWeff1m(WcellDW)mIREF15电流镜中晶体管的W的取值方法Iout=Weff2Leff1Weff1Leff2IREF=Weff2Weff1IREF电流复制精度取决当W1=W2时当W12时Weff1Weff2=Wdrawn1DWWdrawn1Wdrawn2DWWdrawn2Weff1Weff2Wdrawn1Wdrawn2取Wdrawn1=m×Wcell，Weff2Wdrawn2DWWdrawn2=n×Wcell，m、n为整数通过多个单元晶体管=IREF=IREF并联实现M1和M2n(WcellDW)n西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计m=16电流镜中晶体管的W的取值方法Iout=Weff2Weff1IREFm(WcellDW)n(WcellDW)IREF=IREFn西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计(2nCoxW2=1=()=17基本电流镜的不足电流复制误差较大，受λ影响IREF=nCoxW2L)1(VGSVTH)(1+VDS1)Iout=2L()2(VGSVTH)(1+VDS2)通常VDS2都不等于VDS1，导致误差IoutIREF(W/L)2(1+VDS2)(W/L)1(1+VDS1)沟道长度小时，误差会很大解决方法：采用共源共栅结构，提高输出电阻1dXd第二项由VALeffdVDS工艺决定西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计18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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计313119原理合理设计Vb的值，使VY=VX，则Iout可以非常接近IREF，并且Iout对VP变化不敏感因为共源共栅级能屏蔽VP对VY的影响代价：牺牲了输出电压摆幅VYVP(gm3+gmb3)rO3没有M3管时：VPVGS1VTH=VOV1如何产生Vb？有M3管时：VbVGS3+VY=VGS3+VX=VGS3+VGS1VPVbVTHVGS+VGSVTH=VGS+VOV西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计1Voutmb2)rO2共源共栅级的屏蔽特性XXVout端有ΔVout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响VX=rO1[1+(gm2+gmb2)rO2]rO1+rO2Vout(gm2+g西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计2021Vb产生方法对Vb有什么要求？使VY=VXVN=VX+VGS0VY=VNVGS3=VGS0VGS3+VX只要VGS0=VGS3，即可VX=VY只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计22Vb产生方法（续）VY=VNVGS3=VGS0VGS3+VX只要VGS0=VGS3，即可VX=VY只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1VGS=2IDnCOX(W/L)+VTH有体效应时亦成立西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计23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VNVGS3+VY=VGS3+VX=VGS3+VGS1VPVbVTHVGS3+VGS1VTH=VGS3+VOV1=VTH3+VOV3+VOV1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计如何提高输出摆幅？24提高输出摆幅提高方法降低Vb的值原理要保证M1和M2都工作在饱和区，需要Vb满足：VOV1+VGS2VbVGS1+VTH2输出电压的最小值：Vout,min=VbVTH4Vb取最小允许值时，Vout,min最小，输出摆幅此时最大Vb的最小值为：Vb,min=VOV1+VGS2Vout,min=VOV1+VGS2VTH4VOV1+VOV2在提高摆幅的同时，仍有VA=VB，仍可保证高精度复制电流西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计V25Vb的产生方法对Vb的要求：OV1+VGS2VbVGS1+VTH2Vb,min=VOV1+VGS2Vout,minVOV1+VOV2Vb=VGS5+VDS6=VGS5+(VGS6I1Rb)合理设计I1、(W/L)5和Rb的值，可以得到期望的Vb,minVb=VGS5+VDS6=VGS5+(VGS6VGS7)实际设计时要留出一定余量，以确保M1、M2能可靠地工作在饱和区西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计26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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计=27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Av=VoutVin=gm1RL(W/L)3(W/L)2Av=Iout(W/L)2Iin(W/L)1西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计28有源电流镜做负载的差分放大器重要作用：将差分输入转换成单端输出vout=(vingm)(rO4rO2)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计29大信号特性VoutVin,CMVTH很少在开环下用来放大信号，Vout很难由设计者设定完全对称时：Vin1=Vin2时，Vout=VF=VDDVGS3西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计30小信号特性－差分增益不能用半电路法分析该电路因为P点不能当做交流地从Vin到VX和VY的增益差别很大，VX和VY的摆幅差别很大，使得VX和VY对VP的作用不能互相抵消求差分增益Av？方法一：AvGmRout求出等效跨导Gm和输出电阻Rout即得到Av方法二：用戴文宁定理等效输入信号后计算西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计31方法一－Gm的计算求Gm：将输出端接地，计算iout/vin即可在输出端接地情形时，P点可看作交流地id1=id3=id4=gm1,2vin/2id2=gm1,2vin/2iout=id2id4=gm1,2vin,Gm=gm1,2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计+32方法一－Rout的计算为什么RXY等于2rO1,2?画出小信号等效电路，仔细推导一下即可iX=2vXvX2rO1,2+(1/gm3)rO3ro4当2rO1,2(1/gm3)||rO3时RoutrO2||rO4西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计33方法一－差分增益Gm=gm1,2RoutrO2||rO4Avgm1,2(ro2||ro4)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计34方法二－戴文宁等效西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计35方法二－戴文宁等效如何求Veq和Req?画出小信号等效电路，仔细推导一下即可veq=gm1,2rO1,2vinReq=2rO1,2西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计36方法二－戴文宁等效veq=gm1,2rO1,2vin画出小信号等效电路，推导得：Req=2rO1,2Av=gm1,2(rO1,2rO3,4)西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计与方法一结果同37小信号特性－共模增益定义单端输出的差分放大器的共模增益为：ACM=voutvin,CM由于电路对称，对于任何Vin,CM，均有VF=VX所以，在分析共模增益时可将VF