CMOS模拟集成电路设计ch5电流镜

27.10.2020电流镜1CMOS模拟集成电路设计电流镜27.10.2020电流镜2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27.10.2020电流镜3Review：MOS电流源•处于饱和区的MOS管可以作为一种电流源)1()(212DSthGSoxnDoutVVVLWCII27.10.2020基本电流镜41、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）。27.10.2020基本电流镜5•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；Iout与IREF的比值由器件尺寸的比率决定。忽略沟道长度调制效应！27.10.2020基本电流镜6•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5±0.1μm，则M1和M2的实际的W为：W1＝5±0.1μm,W2＝4(5±0.1)μm则IOUT/IREF=4(5±0.1)/(5±0.1)=44IREFIOUT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？27.10.2020共源共栅电流镜7•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27.10.2020共源共栅电流镜8•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VP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Vb，采用共源共栅电流镜结构。27.10.2020共源共栅电流镜9–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27.10.2020共源共栅电流镜10–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：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。得到，Vb有解27.10.2020共源共栅电流镜11–低压的共源共栅电流镜中的偏置Vb如何产生？设计思路: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：由于①M2有衬偏效应，而M5没有②实际中RbI1大小不好控制，产生误差。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①M2有衬偏效应，而M5没有，仍会产生误差。–因此，设计中给出余量。27.10.2020电流镜作负载的差动对123、电流镜作负载的差动对•3.1大信号分析–Vin1-Vin2足够负时，M1、M3和M4均关断，M2和M5工作在深线性区，传输的电流为0，Vout=0；–随Vin1-Vin2增长，M1开始导通，使ID5的一部分流经M3，M4开启，Vout增长–当Vin1和Vin2相当时，M2和M4都处于饱和区，产生一个高增益区。–当Vin1-Vin2变得正的多时，ID1↑，|ID3|↑，|ID4|↑的趋势，ID2↓，最终导致M4进入线性区–当Vin1-Vin2足够正时，M2关断，M4的电流为0且处于深线性区，Vout＝VDD27.10.2020电流镜作负载的差动对13–输入共模电压的选择为使M2饱和，输出电压不能小于Vin,CM-VTH，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VGS1,2+VDS5,min。–当Vin1=Vin2时，电路的输出电压Vout=VF=VDD-|VGS3|27.10.2020电流镜作负载的差动对14•3.2小信号分析（忽略衬偏效应）–方法一利用•计算Gmgm1Vin/2gm1Vin/2gm2Vin/2得到，27.10.2020电流镜作负载的差动对15•计算RoutM1和M2用一个RXY=2rO1,2代替，RXY从VX抽取的电流以单位增益(近似)，由M3镜像到M4。则，ssI1若2rO1,2(1/gm3)||rO3,•电路增益：27.10.2020电流镜作负载的差动对17•3.3共模特性–电路不存在器件失配时忽略rO1,2，并假设1/(2gm3,4)rO3,4,则，27.10.2020电流镜作负载的差动对18–电路存在器件失配时忽略rO1和rO2的影响，考虑到结点F和X的变化相对较小，对P点的影响等效为源跟随器结构27.10.2020电流镜作负载的差动对19ΔID1乘上M3的输出电阻得到vgs3，vgs3=vgs4，可以得到ID4的变化量为忽略rO1和rO2的影响，则电路的输出阻抗为rO4，ΔID4电流与ΔID2电流之差将流经rO4，且gm3=gm4，因此，若rO31/gm3比无器件失配时多此项Vgs3＝Vgs427.10.2020电流镜20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