设计共源共栅电流镜
第5章 电流镜
二 • 共源共栅电流镜
基本共源共栅电流镜
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复制! 即使VP变化, 因∆VY= ∆VP /(gm3r03), 故VX≈VY , Iout≈ IREF。注意, 这是 靠牺牲电压余度来获得的精度!
M0、M3选择合适的宽长比使 VGS0＝VGS3，则VX=VY 。
虚框内电路对称,可用半电 路虚地概念
三 • 有源电流镜 有源负载差动对的小信号增益（2）
由KVL定理，得:
V
V
in
in
V = -g (- )r +g r =g V r
eq
m2
02 m1 01 m1(2) in 01(2)
2
2
由戴维南定理，显然: R = r +r = 2r eq 01 02 01(2)
较少的电压余度而采用较小的偏置电压时，这个问
题更严重。
例如，若Von1＝200mV，VTH有50mV的误差就会使输出电流产生44%的误差。
如何产生精度、稳定性均较好的电流源?
一 • 基本电流镜
用基准来产生电流源
用相对较复杂的电路(有时需要外部的 调整)来产生一个稳定的基准电流IREF。
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IREF的复制 ( IREF常由基 准电路(第11章)产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流源 。现在我们关心 的是，如何产生一个基准电流的精确复制呢？
二 • 共源共栅电流镜
低压共源共栅电流镜的原理
上图中VA=VGS1-VDS2，若选取VDS2≈ VT , 则：
VB =
VA ≈ Von1(3), 于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本共源共栅电流
电流镜
一电流镜简述电流镜是模拟电路里的一个基本单元，可以用于复制电流，也可以用作给差分对做负载。
作为一个模块，一般设计考虑的参数包括电流的匹配，输出阻抗，输入阻抗，输出电压范围，有时还包括噪声。
而可以调整的参数就包括电路的拓扑结构，管子的w和l。
实验中用到的是两种电流镜：共源共栅型即Cascode电流镜和威尔逊即Wilson 电流镜。
对这两种电流镜进行仿真比较。
二仿真电路图下面为Cascode电流镜和Wilson电流镜的仿真电路图Cascode电流镜（左）和Wilson电流镜（右）三实验结果1．输出电流源左右两支路的电流波形关系。
分别输出电流元右边支路的电流与输出电压（VOC和VOW）间的关系曲线?[1] 对于Cascode电流镜而言，其左右两支路的电流波形关系如下图表示，其中M2/D表示右支路的电流与电流源之间的波形关系，这条曲线在电流源电流较小时，有较好的线性关系，即右支路的电流在电流源电流较小时，与电流源提供的电流相等，但超过一定范围，则偏离其线性关系，偏离较小；M3/D表示左支路的电流与电流源之间的波形关系，它是一条斜率为1直线，说明左支路电流与电流源电流相等。
Cascode电流镜中左右支路电流与电流源电流的关系曲线Cascode电流镜中左右支路电流波形关系[2]对于Wilson电流镜而言其左右两支路的电流波形关系如下所示，其中M6/D表示右支路的电流与电流源之间的波形关系，这条曲线在电流源电流较小时，有较好的线性关系，即右支路的电流在电流源电流较小时，与电流源提供的电流相等，但超过一定范围，则偏离线性关系，偏离较大；M7/D表示左支路的电流与电流源之间的波形关系，它是一条斜率为1直线，说明左支路与电流源电流相等。
Wilson电流镜中左右支路电流与电流源电流的关系曲线上图为Wilson电流镜中左右支路电流波形关系曲线[3] 由下图可知对Cascode电流镜而言，其右支路电流与输出电压（voc）的关系曲线如图4所示，由图中可以发现，随着右支路的电流增大，输出电压（voc）先以较大的斜率增大，接着以较小的斜率升高，达到最大值后，随电流增大而下降。
设计共源共栅电流镜
设计共源共栅电流镜1、课程设计的目的熟悉软件使用，了解Cadence、Hspice等软件的设计过程。
掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路版图实现所给要求。
2、课程设计题目及要求2、1课程设计题目：低输出电压高输出电阻的电流镜设计。
2、2课程设计要求：1、电流比1：1。
2、输出电压最小值0.5V。
3、输出电流变化范围5～100UA3、课程设计报告的内容3、1确定电路拓扑结构其中：每个MOSFET 的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析（对不起，这部分分析是电路设计的基础，希望大家看相关的资料，这里就不详细展开了。
），可以知道该电路的特点如下： 1.小信号输入电阻低（～1/gm1） 2.输入端工作电压低（11T MAX T V V V +∆=3.小信号输出电阻高（23333[1()]out ds m mb ds ds r r g g r r =+++）4.输出端最小工作电压低（43~2(@2)MAX T MAX V V V V ∆=+∆）3、2 设计变量初始估算3、2、1 确定(W/L)1、（W/L ）2为了计算设计变量，我们有必要了解电路MOSFET 的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5V, 令：MN3管工作于临界饱和区（即：33OUTMIN G T V V V =-=0.5V ），而MN1、MN2管随着输入电流in I 从5UA 变到100UA 的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区，同时令：当MN1、MN2工作在临界饱和区时120.252OUTMINDS DS V V V V ===。
为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)222DS GS T V V V ≥-22OUTMIN DS VV ⇔≤=62622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯B ,为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。
第五章 电流镜
电流可以按照比例被复制，而且不受工艺和温度的影响。
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5.4 与差动对结合的电流镜
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5.1 基本电流镜
例，求图中M4的漏电流，所有管子都工作的饱和区，不考虑沟 道调制。
⇒ I D4 =
(W / L) 2 (W / L) 4 I REF (W / L)1 (W / L) 3
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
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5.1 基本电流镜
因此我们一般使对管具有相同的沟道长度(Ldrawn)，而改变 W，以获得需要的复制比例。
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CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
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5.1 基本电流镜
计算图中的小信号电压增益。(不考虑沟道调制)
⇒ Av = g m1
(W / L) 3 RL (W / L) 2
输入共模电平范围： VGS 1, 2 + VDS 5 ≤ Vin ,CM ≤ Vout + VTH 2
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5.4 与差动对结合的电流镜
例：假设电路完全对称，当VDD从3V变化到0V时，输出电压随 VDD变化的关系。认为VDD等于3V时所有器件都饱和。 VDD从3V减小时，VF与Vout以 斜率1下降(为什么？)，下降到一 定程度时M1，M2进入线性区。 (Vout下降斜率还是1吗？)最后使 得M5进入线性区，Vout的下降 变缓。(为什么？)
全差分折叠共源共栅
全差分折叠共源共栅全差分折叠共源共栅（Fully Differential Folded Cascode）是一种常用的电路结构，在集成电路设计中被广泛应用。
它是一种运算放大器的结构，能够实现高增益、高带宽和高共模抑制比等优势。
全差分折叠共源共栅电路的基本结构由差分对、折叠电流镜、共源共栅级和输出级组成。
差分对由两个共源放大器组成，输入信号被分别接到两个共源放大器的栅极上。
折叠电流镜用来提供稳定的偏置电流，使得整个电路工作在恒流模式下。
共源共栅级由两个共源共栅放大器组成，其中一个作为主放大器，另一个作为负反馈放大器。
输出级由两个共栅放大器组成，输出信号由主放大器的漏极输出。
全差分折叠共源共栅电路具有以下优点。
首先，由于采用了全差分结构，能够有效抵消共模干扰，提高共模抑制比。
其次，折叠电流镜使得电路的输出电流与输入电流保持一致，增强了电路的线性度。
此外，共源共栅级和输出级的级联结构，使得电路具有较高的增益和带宽。
在实际应用中，全差分折叠共源共栅电路常用于模拟电路的设计，如运算放大器、滤波器等。
在运算放大器中，全差分折叠共源共栅电路能够实现高增益和高带宽，满足了信号放大和信号处理的需求。
在滤波器中，电路的高增益和高带宽能够提高滤波器的性能，使其具有更好的滤波效果。
然而，全差分折叠共源共栅电路也存在一些问题。
首先，由于电路结构复杂，布局和布线困难，对工艺要求较高。
其次，由于电路中存在多个级联放大器，噪声会被级联放大，影响电路的信噪比。
此外，电路的共模抑制比和增益对温度和工作电压的变化敏感，需要进行相应的补偿和校准。
全差分折叠共源共栅是一种常用的电路结构，在集成电路设计中具有重要的应用价值。
它通过差分结构、折叠电流镜、共源共栅级和输出级等组成，能够实现高增益、高带宽和高共模抑制比。
然而，电路的复杂结构和对工艺要求较高是需要注意的问题。
在实际应用中，需要根据具体的需求和设计要求，合理选择电路结构和参数，以获得最佳性能和可靠性。
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜
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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
– 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 从VX抽取的电流以单位增益(近似)， 由M3镜像到M4。则，
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3,
• 电路增益：
1
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I ss
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电流镜作负载的差动对
• 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,
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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 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：
得到
，Vb有解
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。
– 当Vin1=Vin2时，电路的输出电压 Vout=VF=VDD-|VGS3|
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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Gm
得到，
gm1Vin/2
gm1Vin/2 gm2Vin/2
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电流镜作负载的差动对
• 计算Rout
共源共栅电流镜设计
共源共栅电流镜设计1.电流源的设计在共源共栅电流镜中，电流源起到了提供稳定偏置电流的作用。
常见的电流源设计有两种：单端共源电流源和双端共源电流源。
（1）单端共源电流源：单端共源电流源是一种简单的电流源设计，适用于需要低功耗和低成本的场合。
它由一个NMOS管和一个电流源组成。
其中，NMOS管的源极连接到地，栅极连接到电流源，漏极接到电流镜的漏极。
电流源可以采用电流镜、电阻、电容等形式实现。
单端共源电流源的特点是简单、易实现。
（2）双端共源电流源：双端共源电流源是一种较为复杂的电流源设计，适用于需要高精度和高稳定性的场合。
它由两个NMOS管和一个电流源组成。
其中，NMOS管的源极均连接到电流源，栅极分别连接到两个电流镜的输出。
电流源可以采用电流镜、电阻、电容等形式实现。
双端共源电流源的特点是精度高、稳定性好。
2.电路的增益（1）增加栅极电压：增加栅极电压可以提高电流镜的传导效率，从而增大电路的增益。
但是，过大的栅极电压会导致电流镜进入饱和区，从而出现非线性失真的问题。
（2）调整电流镜的尺寸：通过调整电流镜的尺寸，可以改变电流镜的传导能力，从而达到调整增益的目的。
增大电流镜的尺寸可以增大电路的增益，但是需要注意电流镜的面积不能过大，否则会影响电路的稳定性。
3.电路的稳定性稳定性是共源共栅电流镜设计中需要特别关注的问题，主要包括温度稳定性和工作点稳定性。
（1）温度稳定性：在设计共源共栅电流镜时，需要考虑电流源和电流镜的温度变化对电路性能的影响。
为了提高温度稳定性，可以采用温度补偿电路或调整电流源的设计。
（2）工作点稳定性：共源共栅电流镜的工作点稳定性主要受电流源和电流镜的参数变化影响。
为了提高工作点稳定性，可以采用反馈电路、电流源调整电路等方式进行控制。
综上所述，共源共栅电流镜是一种常见的差动放大电路，设计时需要考虑电流源的设计、电路的增益和稳定性等方面。
通过合理调整电流源、电流镜的尺寸和栅极电压，以及采用温度补偿电路和反馈电路等方式，可以实现共源共栅电流镜的设计。
第五章 电流镜
VOD=VGS-VTH VTH+VOD
VTH+2VOD
2(VTH+VOD)
2VOD
VTH+VOD
电流镜作负载的差动对
增益Av=gmRout=gm(rO1,2||rO3,4)
1 I ss
共模特性要比全差动电路差
2010/11/4
小结
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结论：取L1=L2，便于获得期望的精确电流值
电流镜中晶体管的W的取值方法
电流镜中晶体管的W的取值方法
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)=4
第五章 电流镜
提纲
1、基本电流镜 2、共源共栅电流镜 3、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
1、基本电流镜
★ 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
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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|
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电流镜作负载的差动对
共源共栅电流镜偏置方法及其偏置电路[发明专利]
![共源共栅电流镜偏置方法及其偏置电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/83bd9c8cc67da26925c52cc58bd63186bceb92ff.png)
[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公布说明书[11]公开号CN 101071312A [43]公开日2007年11月14日[21]申请号200610040279.1[22]申请日2006.05.12[21]申请号200610040279.1[71]申请人苏州中科集成电路设计中心有限公司地址215021江苏省苏州市苏州工业园区机场路328号国际科技园二期E301[72]发明人于峰崎 [74]专利代理机构南京苏科专利代理有限责任公司代理人姚姣阳[51]Int.CI.G05F 3/26 (2006.01)权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页[54]发明名称共源共栅电流镜偏置方法及其偏置电路[57]摘要本发明属于电路领域，是一种共源共栅电流镜偏置方法及其偏置电路。
在共源共栅电流镜电路的n 型晶体管网络和p型晶体管网络中间串接一个晶体管，将该晶体管的栅极接电源或接地，将该晶体管的源极和漏极分别接至n型晶体管网络和p型晶体管网络的漏极，该晶体管的源极和漏极分别用来偏置该共源共栅电流镜的两个栅极。
能使共源共栅电流镜中所有晶体管工作在饱和区，从而电路设计者不需花很多时间来调共源共栅电流镜的静态工作点。
200610040279.1权 利 要 求 书第1/2页 1.一种共源共栅电流镜偏置方法，其特征在于：在共源共栅电流镜电路的n型晶体管网络和p型晶体管网络中间串接一个晶体管，将该晶体管的栅极接电源或接地，将该晶体管的源极和漏极分别接至n型晶体管网络和p型晶体管网络的漏极，该晶体管的源极和漏极分别用来偏置该共源共栅电流镜的两个栅极。
2.一种共源共栅电流镜偏置电路，包括n型晶体管网络和p型晶体管网络，n型晶体管网络和p型晶体管网络串接，n型晶体管网络中n型晶体管的栅极共同相连为输入端或输出端，p型晶体管网络中p型晶体管的栅极共同相连接为输出端或输入端，其特征在于：所述n型晶体管网络和p型晶体管网络中间串接一个晶体管，所述晶体管的栅极接电源或接地，所述晶体管的源极既与输入侧晶体管的漏极相连，又与输出侧一对相反型晶体管的栅极相连，所述晶体管的漏极既与输出侧相反型晶体管的漏极相连，又与输出侧另一对相反型晶体管的栅极相连。
共源共栅电流镜
共源共栅电流镜
共源共栅电流镜（CommonSourceCommonGateCurrentMirror）是
一种特殊的电流镜。
它可以将一个输入电流转换成另外一个几乎相等的输出电流，这种电流镜的精度非常高。
由于共源共栅电流镜的结构相对来说较为简单，并且节省了部件，所以它易于制造，也易于维护，可以大大降低成本。
基本原理：在共源共栅电流镜中，两个晶体管以有效的方式连接在一起，从而形成一个闭环：输入端的晶体管的源和输出端的晶体管的栅是共用的。
输出端的晶体管放大了输入端的晶体管的源电流，并将其输出到负载端，从而形成一个电流镜。
如图所示，共源共栅电流镜的结构由两个晶体管、两个分压器及一些连接线构成：第一个晶体管由源结和栅结组成，用于获取输入电流；第二个晶体管也由源结和栅结构成，用于输出调整后的电流；两个分压器负责分配输入端电流的小部分电流，作为输出端电流参考；连接线则用于将输入端和输出端晶体管连接在一起，形成一个闭环。
共源共栅电流镜的优点包括：结构简单，具有较高的稳定性、反馈强度且电流镜精度高，电路可以被有效地集成以节省空间，降低制造以及维护成本，而且可以高效地转换输入电流为几乎相等的输出电流。
共源共栅电流镜的应用广泛，在电路中可用于计算机、通信设备、测控仪器等领域。
共源共栅电流镜可用于电路中比较精确地分配电流，而且还能满足它们之间的稳定性要求。
此外，这种电流镜还可以用于
缓冲和放大运算，以及实现低噪声的分立的功率放大电路等。
综上所述，共源共栅电流镜是一种很有用的电流测量及转换技术。
它具有结构简单、精度高、可靠性强等优点，广泛应用于电路的不同领域，可以大大提高电路的性能与可靠性。
共源共栅电流镜
共源共栅电流镜
电流镜是一种用于测量相位误差和幅值比的电气仪器，通常被用于监控电力系统中不同电路之间电流的同步习惯。
共源共栅电流镜是由两个反向激励之间的电缆连接而成，其结构如下：
一个反向激励是由一对负载电阻连接到一个源电容器的一个相上，另一个反向是由一对负载电阻和一个源电容器的另一个相上组成。
这些负载电阻可以在电流镜的设备板上安装，以获得更多的功率。
在此基础上，用另一个负载电阻连接到源电容器的一侧，即可以创建共源共栅电流镜。
共源共栅电流镜的最大优点是，它不会对电流测量和相位关系产生损害。
因为该电流镜通过双向激励创建，所以可以有效地测量两个电路之间的电流同步情况，从而了解检测电路间的电流相位关系。
此外，由于没有电流测量过程中的电容损耗，共源共栅电流镜也不会对电流幅值产生任何影响。
总之，共源共栅电流镜是一种用于测量两个电路之间的电流相位关系和电流幅值的仪器，从而提供最佳的监控和保护服务。
它可以用于改善电网负荷及能源利用，以及降低电力系统失速率。
此外，该电流镜还可以用于电源稳定性测试和现场控制等多种故障排除应用中。
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度1. 介绍在集成电路设计中，电流镜是一种常用的电路结构，用于产生稳定的参考电流。
共源共栅电流镜（Common Source Common Gate Current Mirror）和普通电流镜（Common Source Current Mirror）是两种常见的电流镜结构。
本文将对这两种结构进行比较，并讨论它们在输出电压余度方面的差异。
2. 共源共栅电流镜共源共栅电流镜是一种双级结构，由一个N沟道MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）作为上级，一个P沟道MOSFET作为下级组成。
这两个MOSFET通过栅极和源极相连，形成了一个反馈回路。
2.1 工作原理当输入端施加了一个参考电流Iref时，上级的N沟道MOSFET将工作在饱和区，其栅极-源极之间的电压Vgs保持恒定。
该恒定的Vgs通过反馈回路传递到下级的P 沟道MOSFET上，使得下级的P沟道MOSFET也工作在饱和区。
通过调整上级和下级MOSFET的尺寸比例，可以实现输出电流与输入参考电流的比例关系。
2.2 输出电压余度输出电压余度是指在给定的输入参考电流范围内，输出电流的变化程度。
对于共源共栅电流镜，由于其双级结构，输出电压余度相对较好。
这是因为上级N沟道MOSFET的饱和区工作使得其输出阻抗较低，而下级P沟道MOSFET的饱和区工作使得其输入阻抗较高。
因此，共源共栅电流镜在一定程度上能够抵消温度、工艺等因素引起的偏移。
3. 普通电流镜普通电流镜是一种单级结构，只包含一个MOSFET。
它通过调整MOSFET的尺寸比例来实现输出电流与输入参考电流的比例关系。
3.1 工作原理当输入端施加了一个参考电流Iref时，MOSFET将工作在饱和区。
通过调整MOSFET 的尺寸比例，可以控制输出端的偏置电压Vbias和输出端口之间形成一个固定比例关系。
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度1. 引言电流镜是集成电路中常用的基本电流源，它能够提供稳定的电流输出。
共源共栅电流镜和普通电流镜是两种常见的电流镜结构，它们在输出电压余度方面有一些不同。
本文将对这两种电流镜的原理、特点和输出电压余度进行详细分析和比较。
2. 共源共栅电流镜2.1 原理共源共栅电流镜是一种由MOS管组成的电流镜结构，其原理如下：•共源：输入电流通过源极流入MOS管，控制MOS管的导通程度。
•共栅：输出电压通过栅极反馈到输入端，使得电流镜的输出电流稳定。
2.2 特点•输出电流稳定性好：共源共栅电流镜通过栅极反馈，可以使得输出电流对温度和供电电压的变化具有较好的稳定性。
•高输入电阻：由于输入电流通过源极流入，共源共栅电流镜具有较高的输入电阻。
•低输出电阻：共源共栅电流镜的输出电流经过栅极反馈，可以实现较低的输出电阻。
2.3 输出电压余度输出电压余度是衡量电流镜输出电压稳定性的指标，它表示在不同输出电流情况下，输出电压的变化程度。
共源共栅电流镜的输出电压余度较好，可以满足大部分应用场景的需求。
3. 普通电流镜3.1 原理普通电流镜是由BJT（双极型晶体管）或MOS管组成的电流镜结构，其原理如下：•BJT电流镜：输入电流通过基极流入BJT管，控制BJT管的导通程度。
•MOS电流镜：输入电流通过栅极流入MOS管，控制MOS管的导通程度。
3.2 特点•输出电流稳定性一般：普通电流镜的输出电流对温度和供电电压的变化敏感，稳定性较差。
•低输入电阻：由于输入电流通过基极或栅极流入，普通电流镜具有较低的输入电阻。
•高输出电阻：普通电流镜的输出电流没有经过反馈，输出电阻较高。
3.3 输出电压余度普通电流镜的输出电压余度较差，容易受到温度和供电电压的影响。
在一些对输出电流稳定性要求较高的应用场景中，普通电流镜可能无法满足需求。
4. 共源共栅电流镜和普通电流镜的比较4.1 输出电流稳定性共源共栅电流镜通过栅极反馈，具有较好的输出电流稳定性，可以在一定范围内保持输出电流基本不变。
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度共源共栅电流镜和普通电流镜是两种常用的放大器电路结构，它们在电路设计和应用中有着不同的特点和优势。
本文将从工作原理、特点和应用等方面进行详细比较和分析。
1.工作原理：共源共栅电流镜（common source common gate current mirror）是由共源电流镜和共栅电流镜组成的电路结构。
共源电流镜的输入信号通过栅极传到之后的共栅电流镜，再经过源极输出。
普通电流镜（common source current mirror）则只包括共源电流镜，输入信号直接作用于栅极，输出信号通过源极输出。
2.特点比较：（1）共源共栅电流镜的输入电压余度较小：由于共源共栅电流镜具有共源电流镜和共栅电流镜双重反馈结构，输入电压余度较小，可以提高电流镜的线性度和精度。
而普通电流镜只有单一的反馈结构，输入电压余度较大，可能会引入更大的误差。
（2）共源共栅电流镜的输出电压余度较大：由于共源电流镜和共栅电流镜的双重反馈结构，共源共栅电流镜的输出电压余度较大，可以保持输出电流的相对稳定。
而普通电流镜输出电压余度较小，容易受到负载变化的影响，导致输出电流不稳定。
（3）共源共栅电流镜的频率响应较好：由于共源共栅电流镜的双重反馈结构，能够降低电流镜的输入和输出阻抗，提高频率响应。
而普通电流镜的频率响应相对较差。
（4）共源共栅电流镜的功耗较大：由于共源共栅电流镜多了一个共栅电流镜，存在更多的功耗。
而普通电流镜只有单个共源电流镜，功耗相对较小。
3.应用比较：（1）共源共栅电流镜：由于共源共栅电流镜具有输入电压余度小和输出电压余度大的特点，常常用于需要较高精度的电流源和电流放大器设计中。
例如，在运放、A/D转换器和低噪音放大器等应用中，共源共栅电流镜能够提供稳定的电流源和放大器增益。
（2）普通电流镜：普通电流镜更适用于一些对输入电压余度要求较小的应用，例如工作在固定电流下的电流镜等。
共源共栅电流镜中栅压vb的生成电路
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共源共栅两级运放的补偿-概述说明以及解释
共源共栅两级运放的补偿-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:共源共栅两级运放是一种常用的放大器电路，它由共源级和共栅级组成，具有高增益、低输入阻抗和宽带宽等优点。
然而，这种电路在实际应用中会存在一些问题，如频率响应不稳定、温度漂移大等。
为了解决这些问题，需要对共源共栅两级运放进行补偿。
本文将介绍两种常用的补偿方法，以提高运放电路的性能和稳定性。
通过对这些补偿方法的研究和应用，可以为电子工程师在实际设计中提供参考和借鉴。
json"1.2 文章结构":{"本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分介绍了文章的概述、结构和目的。
正文部分包括共源共栅两级运放的原理，以及两种补偿方法的介绍。
结论部分总结了本文的主要内容，展望了共源共栅两级运放的应用前景，并给出了结论。
"}1.3 目的本文旨在探讨共源共栅两级运放的补偿方法，通过分析其原理和现有的补偿方法，对比它们的优缺点，为工程师提供在实际设计中选择合适的补偿方法的参考依据。
同时，通过对共源共栅两级运放的补偿进行深入研究，可以更好地理解运放电路的工作原理，提高设计的准确性和稳定性。
最终，希望通过本文的分析，为工程师在实际项目中解决运放电路的补偿问题提供一定的帮助和启发。
2.正文2.1 共源共栅两级运放的原理共源共栅两级运放是一种常见的运放电路结构，由两级放大器级联而成。
在这种结构中，第一级是共源放大器，第二级是共栅放大器。
共源共栅结构的优点包括增益高、带宽宽、输入电阻大等。
在这种结构中，第一级的共源放大器起到了放大信号和提供输入阻抗的作用。
共源放大器的输入电阻高，可以有效地隔离输入信号源和第二级的共栅放大器，减少了输入端信号源的影响。
第二级的共栅放大器主要起到了增益放大和输出阻抗匹配的作用。
共栅放大器的输出电阻低，可以有效地驱动负载电路，同时提供稳定的输出信号。
整个运放电路的工作原理是：输入信号经过第一级的共源放大器放大，然后经过第二级的共栅放大器再次放大，最终输出到负载电路中。
第五章 电流镜
17
5.3 低压共源共栅电流镜
p
当VTH 2 > VGS 2 − VTH 1时，Vb有解。 取Vb的最小值Vb = VGS 2 + VGS1 − VTH 1 那么使VP ≥ Vb − VTH 4 = (VGS 2 − VTH 4 ) + (VGS1 − VTH 1 ), 就能保证所有器件都 饱和而且右半边电流源消耗的电压余度只相当于两个过驱动电压。
VN = VGS 0 + VGS1 2 I REF L L = + + VTH 0 + VTH 1 µ n Cox W 0 W 1 又VDD − VN ≥ 0.5V ⇒ I REF ≤
CMOS模拟集成电路设计
µ nCox (VDD − 0.5 − VTH 0 − VTH 1 ) 2
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, zhengran
5
5.1 基本电流镜
在实际的电路设计中，我们对一个基准电流源进行精确的复制来 为电路各模块提供偏置电流。我们本章将讨论这一复制方法，也就 是采用电流镜。对于基准电流的产生将在11章进行介绍。
如图所示，基准产生电路提供基准电流。电路中的各 个支路将基准电流复制或按比例缩放，来获得各自需 要的偏置电流。
1、X,Y点的电位差决定了电流镜复制电流的精度。 2、如果Y点接入到了其他电路，那么该点电位受 到外接电路的影响从而影响复制精度。
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, zhengran
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5.2 共源共栅电流镜
模拟集成电路原理第五章电流镜
1 2 gm1,2
RS S
1
gm1,2
1 2gm1,2 RS S gm3, 4
共模特性（3）
CMRR ADM ACM
gm1, 2( ro1,2
||
ro3,4
)
gm 3,4
(1
2gm1,2 gm1,2
RS
S)
gm3,4 (ro1, 2 || ro3,4 )(1 2gm1, 2RS S)
• 5.23
L 1(VGS VTH )2
Iout
1 2
nCox
W
L 2 (VGS VTH )2
I out I REF
W W
L2 L1
电流的复制
W W
L2 L1
W W
L4 L3
Iout IREF ，通常、不能太大或太小 一般设计中：0.1 10，0.1 10
电流镜提供偏置
本讲内容
• 基本电流镜
第五章 电流镜
本讲内容
• 基本电流镜
– 电流的复制 – 如何提高复制精度
• 共源共栅电流镜
– 共源共栅电流镜 – 偏置电路的设计
• 单端输出差分对
– 小信号分析、增益
电流镜
IO U T
unCo x 2
W L
( R2 R2
R1
VD D
VT H )2
基准源与电流的复制
IREF
1 2
nCox
W
单端输出的差分对（2）
Av GmRout，其中Gm gm1，Rout ro2 || ro4
Gm的计算
ID1 ID3 ID4 gm1,2Vin / 2 ID2 gm1,2Vin / 2 Io ut ID2 ID4 gm1,2Vin , Gm gm1, 2
一种大电流高输出阻抗电流镜的设计
一种大电流高输出阻抗电流镜的设计0 引言电流镜(CM)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。
它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路，能减少电压变化和温度变化带来的误差，其性能对整个电路乃至系统的性能都有重要的影响。
为了适应各种电路及系统性能的要求，不同的电路需要使用不同结构的电流镜，如放大器、比较器、自校准电流源等使用结构简单的电流镜，而转换器等要求高性能电流镜。
LED(Light Emitting Diode)驱动电路要求电流镜的输出电流能够达到几十甚至上百毫安量级。
输出阻抗和电流匹配精度是决定电流镜性能最重要的参数，许多研究都集中于这两点。
这里在分析了基本电流镜和DMCM(Dy-namic Matching Current Mirror)电流镜的基础上提出一种高输出阻抗、高匹配精度的电流镜，其性能比传统电流镜更加理想，输出电流能够满足高输出电流的要求。
1 基本电流镜最简单的电流镜如图1(a)所示，MOS管M1一直处于饱和状态，根据饱和MOS管漏源电流关系：式中：μ是电子或空穴迁移率；Cox表示单位面积的栅氧化层电容；W／L为MOS管的宽长比；λ为沟道长度调制系数。
对于较长的沟道，λ值比较小，因此忽略沟道调制效应。
由此可知，如果两个相同的MOS管的栅源电压相等，那么其漏源电流也相等。
但是图1(a)的输出阻抗仅为rO2，并且由于M1和M2的漏源电压不一定完全相等，使得电路的电流复制能力比较差。
共源共栅结构的电流镜具有比简单电流镜大得多的输出阻抗。
图1(b)所示的为标准共源共栅电流镜，电流镜的输出阻抗为：但是与简单电流镜一样，VDS1=VDS2同样得不到很好的保证，这就降低了共源共栅电流镜的电流复制精度。
另外，为了使四个管子都处在饱和区，输出电压必须大于VT+2VOV，其中VT为管子的阈值电压；VOV为管子的过驱动电压，限制了输出电压摆幅。
图2所示的DMCM结构电流镜中，由于M3，M4，M6三个管子构成了一个负反馈，使得其输出阻抗大大提高，不过反馈回路的增益还存在提升空间。
共源共栅电流镜的缺点
共源共栅电流镜的缺点共源共栅电流镜是一种常用的电流放大器电路，具有一定的优点，但同时也存在一些缺点。
本文将从多个方面详细介绍共源共栅电流镜的缺点。
共源共栅电流镜的主要缺点之一是电流镜的输出电阻较高。
在共源共栅电流镜中，输出电流经过栅极和源极之间的电阻，导致输出电阻较大。
这会导致电流镜的输出电压受到负载的影响较大，使得输出电压的稳定性较差。
共源共栅电流镜的电流增益不稳定。
由于栅极和源极之间的电流经过电阻，所以电流增益会受到电阻的影响。
当电阻值有所变化时，电流增益也会相应地发生变化，导致电流镜的工作点偏离设计值，从而影响整个电路的性能。
共源共栅电流镜的温度特性较差。
由于电流镜中存在大量的晶体管，而晶体管的工作温度会对其电流特性产生较大影响。
在共源共栅电流镜中，由于电流经过电阻，电阻的温度系数也会影响电流的稳定性，从而使电流镜的温度特性较差。
共源共栅电流镜在工作时会产生较大的功耗。
由于电流镜中存在电阻，电流经过电阻时会产生一定的功耗。
当电流较大时，功耗也会相应增加，导致电流镜的效率较低。
这不仅会增加整个电路的能耗，还会导致电流镜产生较多的热量，进一步影响电路的稳定性。
共源共栅电流镜还存在电压限制的问题。
由于电流镜中的晶体管工作在饱和区，所以电压的变化会导致电流镜的偏置点发生变化，进而影响电流镜的工作状态。
因此，在设计共源共栅电流镜时需要考虑电压范围的限制，以确保电流镜能够正常工作。
共源共栅电流镜虽然具有一定的优点，但也存在一些缺点。
其输出电阻较高、电流增益不稳定、温度特性较差、功耗较大和电压限制等问题都需要在实际应用中进行合理的考虑和解决。
通过对这些缺点的充分了解和分析，可以更好地应用共源共栅电流镜，并进一步提高电路的性能和稳定性。
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设计共源共栅电流镜1、课程设计的目的熟悉软件使用，了解Cadence、Hspice等软件的设计过程。
掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路版图实现所给要求。
2、课程设计题目及要求2、1课程设计题目：低输出电压高输出电阻的电流镜设计。
2、2课程设计要求：1、电流比1：1。
2、输出电压最小值0.5V。
3、输出电流变化范围5～100UA3、课程设计报告的内容3、1确定电路拓扑结构其中：每个MOSFET 的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析（对不起，这部分分析是电路设计的基础，希望大家看相关的资料，这里就不详细展开了。
），可以知道该电路的特点如下： 1.小信号输入电阻低（～1/gm1） 2.输入端工作电压低（11T MAX T V V V +∆=3.小信号输出电阻高（23333[1()]out ds m mb ds ds r r g g r r =+++）4.输出端最小工作电压低（43~2(@2)MAX T MAX V V V V ∆=+∆）3、2 设计变量初始估算3、2、1 确定(W/L)1、（W/L ）2为了计算设计变量，我们有必要了解电路MOSFET 的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5V, 令：MN3管工作于临界饱和区（即：33OUTMIN G T V V V =-=0.5V ），而MN1、MN2管随着输入电流in I 从5UA 变到100UA 的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区，同时令：当MN1、MN2工作在临界饱和区时120.252OUTMINDS DS V V V V ===。
为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)222DS GS T V V V ≥-22OUTMIN DS VV ⇔≤=62622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯,为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。
3、2、2 确定(W/L)3、（W/L ）4从MN3管3GS V 的角度来考虑问题，当in I ＝100UA 时，为了使MN2管工作在临界饱和区，3GS V 的电压降不可以过大，即：332OUTMINGS G V V V ≤-又MN3管工作于临界饱和区，则：3332OUTMINGS D T V V V V ⇔≤+-332OUTMIN T OUTMIN T VV V V ⇔≤+-2OUTMIN V⇔63622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。
3、2、3确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=1 3、2、4确定IB在确定IB 前要先计算3T V ,根据衬偏效应可以得到:1/2300.64310.630.72T TN V V V V Vγ=+=+因为MN3工作在临界饱和区，所以：333G D T V V V =+又MNB 管工作于MOS 二极管状态：3G DSB GSB TB V V V V ===+231()(/)2G TB B B IB V V KP W L ⇒=-2331()(/)2D T TB B B IB V V V KP W L ⇒=+-2301()(/)2OUTMIN T TN N B IB V V V KP W L ⇒=+-2620.5(0.50.720.6431)123.010/120IB V V V A V UA -⇒=⨯+-⨯⨯⨯3、2、5 确定沟道长度L对沟道长度的约束有： 1．out r233332311()(1)outds ds m mb m OUT OUT r r r g g g I I ηλλ+=+=+一定的OUT I 下，要使out r 较大，则λ要取较小的值，即L 要取较大的值。
2．短沟效应，要求L 取较大的值。
3．沟道调制效应，要求L 取较大的值。
4．匹配性，要求L 取较大的值。
5．可生产性，要求L 取较规整的值。
6．寄生性，要求L 取较小的值。
7．最小的版图面积，要求L 取的较小的值。
8．工业界的经验要求：L>=5倍的特征尺寸。
综上所述，版图设计中取3L uM = 3、2、6 验证直流工作点1. MNB ：二极管连接确保它工作于饱和区。
2. MN3：工作于临界饱和工作区。
3. MN1、MN2：当100IN I uA =,它们工作于临界饱和区；当IN I 减小时，12GS V 、减小且12DS V 、增大，使它 们工作在过饱和区。
4. MN4：要使MN4管工作于饱和区，则：444ds gs T V V V >- 444d g T V V V ⇔>-134gs OUTMIN T V V VT V ⇔>+-1T OUTMIN V V V ⇔+∆>而10.6431,0.5T OUTMIN V V V V ==,显然上式成立。
即MN4工作于饱和区。
3、 3 HSPICE 仿真验证3、3、1旨在调整设计变量的仿真： 1、电路拓扑结构节点命名：其中：每个MOSFET的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.2、按初始估算设计变量仿真采用初始估算的设计变量，即：(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM;IB=20UA，同时调整RL＝44.7KOHM，使MN3进入临界饱和。
仿真输入：该电路的HSPICE仿真网表文件为：cascode_current_mirror_01.sp,文本如下：enhanced minmum output voltage cascode current_mirror**********************file_header*****************************file_name:cascode_current_mirror_01.sp*author :wangqq10548377*date :Oct.16,2006*log :none*version :1.0,Oct.16,2006**********************end_file_header**********************************************library********************************.include "D:\e0___exercise\analog_cmos_ic_design\B00___lib\hua05.sp"**********************end_library**************************************************netlist********************************MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 44.7K**********************end_netlist**************************************************source*********************************VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 20UAIIN VD 1 DC 100UA**********************end_source*****************************.OP.TEMP 27**********************end_analysis*************************************************print********************************** .PRINT DC I(RL) .PROBE**********************end_print****************************** .END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_01.lis 文件中，其中可以看到如下的内容：可见MN1～4管都工作在饱和区，可是输出端(5节点)电压约为0.535V 超过指标要求，因此需要进一步更为重要的调整和仿真。
3、调整设计变量仿真 1.调整步骤一：根据333OUTMIN G T TB T V V V V V =-=+，要减小OUTMIN V ，可以减小B I 或增大(/)B W L ，为了版图设计的方便，保持(/)B W L 初始估算的值，而把B I 调小到17UA 。
这时，(W/L)1=(W/L)2＝ (W/L)3=(W/L)4=81UM/3UM; (W/L)B=3UM/3UM; IB=17UA ，同时调整RL ＝45.2KOHM ，使MN3进入临界饱和。
仿真输入：该电路的HSPICE 仿真网表文件为：cascode_current_mirror_02.sp,文本如下： enhanced minmum output voltage cascode current_mirror**********************file_header**************************** *file_name:cascode_current_mirror_02.sp *author :wangqq10548377 *date :Oct.16,2006 *log :none*version :1.0,Oct.16,2006**********************end_file_header************************.include "D:\e0___exercise\analog_cmos_ic_design\B00___lib\hua05.sp"**********************end_library**************************************************netlist********************************MN1 2 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN2 3 1 GND GND NMOS L=3U W=81UMN3 5 4 3 GND NMOS L=3U W=81UMN4 1 4 2 GND NMOS L=3U W=81UMNB 4 4 GND GND NMOS L=3U W=3URL VD 5 45.2K**********************end_netlist**************************************************source*********************************VDD VD GND DC 5VIB VD 4 DC 17UAIIN VD 1 DC 100UA**********************end_source***************************************************analysis*******************************.OP.TEMP 27**********************end_analysis*************************************************print**********************************.PRINT DC I(RL).PROBE**********************end_print******************************.END仿真输出：静态工作点分析的结果在cascode_current_mirror_02.lis文件中，其中可以看到如下的内容：可见输出端(5节点)电压约为0.491V符合指标要求，可是MN1、MN2又退出了饱和区，因此需要更进一步调整和仿真。