CMOS模拟集成电路设计第5章电流镜
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第5章 电流镜
误差。
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
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
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜
6
5.1 基本电流镜
观察MOS器件的电流公式 unCox W (VGS − VTH ) 2 I OUT ≈ 2 L 两个具有同样VGS的NMOS，如果管子尺寸相同，工艺偏差 不计(VTH相同)，那么两个管子流过的电流就相同。从这一点 出发，我们考虑到法一： Av=GmRout 从右图计算Gm，由于X点的摆幅较小，可以认为X点 的变化对P点的影响很小，所以P点为虚地。那么
I out + g m1Vin / 2 = g m 2 ( −Vin / 2) ⇒| Gm |= g m1, 2
从右下图计算Rout。
IX = 2 2rO1, 2 VX VX + || rO 3 rO 4 + g1 m3 ) ⇒ Rout = rO 2
I OUT ≈ u nCox W R2 ( VDD − VTH ) 2，为了减小电流源消耗的电压余度 2 L R2 + R1 过驱动电压一般比较小100 ~ 400mV，若Vov = 200mV，有50mV的偏差， 就会导致输出电流有44%的误差。看来这种产生电流源的方式是不可取的。 同时，电源的噪声也会引起电流误差。
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Oct.2014
本章内容
第五章
电流镜
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
2
本章内容
5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 低压共源共栅电流镜 5.4 与差动对结合的电流镜
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计
18
5.3 低压共源共栅电流镜
这个电路不采用电阻，避开了电阻的精度问题。 只要合理放大M7的尺寸就能够使VGS7≈VTH7，从而 获得前述要求的关系式。然而这个结构同样存在 衬偏效应的问题。 使用源跟随器MS，直接使共源共栅级的偏置下 降VTH，这样一来也可以使电压余度消耗为两 个过驱动电压。但A,B两点的电位将不能近似 相等，导致精度的损失。这种结构有时也会使 用，因为共源共栅结构的电流镜不单单是为了 实现高精度，我们也有时仅仅利用其高输出阻 抗。
6
5.1 基本电流镜
观察MOS器件的电流公式 unCox W (VGS − VTH ) 2 I OUT ≈ 2 L 两个具有同样VGS的NMOS，如果管子尺寸相同，工艺偏差 不计(VTH相同)，那么两个管子流过的电流就相同。从这一点 出发，我们考虑到法一： Av=GmRout 从右图计算Gm，由于X点的摆幅较小，可以认为X点 的变化对P点的影响很小，所以P点为虚地。那么
I out + g m1Vin / 2 = g m 2 ( −Vin / 2) ⇒| Gm |= g m1, 2
从右下图计算Rout。
IX = 2 2rO1, 2 VX VX + || rO 3 rO 4 + g1 m3 ) ⇒ Rout = rO 2
I OUT ≈ u nCox W R2 ( VDD − VTH ) 2，为了减小电流源消耗的电压余度 2 L R2 + R1 过驱动电压一般比较小100 ~ 400mV，若Vov = 200mV，有50mV的偏差， 就会导致输出电流有44%的误差。看来这种产生电流源的方式是不可取的。 同时，电源的噪声也会引起电流误差。
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Oct.2014
本章内容
第五章
电流镜
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
2
本章内容
5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 低压共源共栅电流镜 5.4 与差动对结合的电流镜
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计
18
5.3 低压共源共栅电流镜
这个电路不采用电阻，避开了电阻的精度问题。 只要合理放大M7的尺寸就能够使VGS7≈VTH7，从而 获得前述要求的关系式。然而这个结构同样存在 衬偏效应的问题。 使用源跟随器MS，直接使共源共栅级的偏置下 降VTH，这样一来也可以使电压余度消耗为两 个过驱动电压。但A,B两点的电位将不能近似 相等，导致精度的损失。这种结构有时也会使 用，因为共源共栅结构的电流镜不单单是为了 实现高精度，我们也有时仅仅利用其高输出阻 抗。
电流镜[1]
![电流镜[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/18a752fb941ea76e58fa0467.png)
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室 Copyright by Huang Weiwei
简单电流镜版图
把电流放大4倍，采用4倍电流镜
4/2
16 / 2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2 M=4
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
简单电流镜版图
部分改进的电流镜电路
电流镜的复制，需要一个参考电流Iref，那么如何 得到一个Iref呢？ 实际上有下面几种方法可以得到参考电流： 1.使用芯片外的一个电流 2.设计一个与电源电压无关的并且经过温度补偿的电路 来产生Iref 3.利用经过温度补偿的带隙基准电压电路产生参考电流 4.电阻与二极管连接的MOS得到参考电流。
如此也可以减小沟道长度调制效应 对电流镜复制精度的影响。
M1
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
部分改进的电流镜电路
Vmin = VGS 2 − VTH = (2VTH + Vod ) − VTH =VTH + 2Vod
优点：结构简单，输出电阻增加约为一个MOS的本征增益倍 缺点：减小了输出端的电压裕度。
ROUT
V1
Vmin = VDS ( sat ) M 2 = VGS 2 − VTH = V1 − VTH
M2
M1
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
部分改进的电流镜电路
增加电流镜的输出电阻可以增加避免沟道长度调制效 应对电流复制精度的影响： 所以在这一部分中我们将简单介绍一些改进型的电流 镜。
简单电流镜版图
把电流放大4倍，采用4倍电流镜
4/2
16 / 2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2
4/2 M=4
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
简单电流镜版图
部分改进的电流镜电路
电流镜的复制，需要一个参考电流Iref，那么如何 得到一个Iref呢？ 实际上有下面几种方法可以得到参考电流： 1.使用芯片外的一个电流 2.设计一个与电源电压无关的并且经过温度补偿的电路 来产生Iref 3.利用经过温度补偿的带隙基准电压电路产生参考电流 4.电阻与二极管连接的MOS得到参考电流。
如此也可以减小沟道长度调制效应 对电流镜复制精度的影响。
M1
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
部分改进的电流镜电路
Vmin = VGS 2 − VTH = (2VTH + Vod ) − VTH =VTH + 2Vod
优点：结构简单，输出电阻增加约为一个MOS的本征增益倍 缺点：减小了输出端的电压裕度。
ROUT
V1
Vmin = VDS ( sat ) M 2 = VGS 2 − VTH = V1 − VTH
M2
M1
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
部分改进的电流镜电路
增加电流镜的输出电阻可以增加避免沟道长度调制效 应对电流复制精度的影响： 所以在这一部分中我们将简单介绍一些改进型的电流 镜。
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜
• 3.2 小信号分析 • （忽略衬偏效应） • 方法一 • 利用 • 计算
得到，
gm1Vin/2
gm1Vin/2 gm2Vin/2
• 计算 • M1和M2用一个21,2代替，
从抽取的电流以单位增益(近 似)，由M3镜像到M4。则，
若21,2>>(13)3,
• 电路增益：
1 I ss
• 3.3 共模特性 • 电路不存在器件失配时
• 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）。
• 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； 与的比值由器件尺寸的比率决定。
忽略沟道长度调制效应！
• 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。
• 沟道长度调制效应使得电流镜像产生极大误差，
因此
• 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，
采用共源共栅电流镜结构。 •
– 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
模拟集成电路设计
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
Байду номын сангаас ：电流源
• 处于饱和区的管可以作为一种电流源
Iou I tD 1 2n C oW L x(V G S V t) h 2 (1 V D )S
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜ppt课件
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！
17.04.2020
5
.
• 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
17.04.2020
10
.
– 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。
11
.
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， 产生一个高增益区。
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3,
• 电路增益：
1
17.04.2020
I ss
15
.
• 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，
17.04.2020
17
.
忽略沟道长度调制效应！
17.04.2020
5
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• 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
17.04.2020
10
.
– 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。
11
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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， 产生一个高增益区。
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3,
• 电路增益：
1
17.04.2020
I ss
15
.
• 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，
17.04.2020
17
.
CMOS 模拟集成电路课件-电流源与电流镜
例2：采用M6代替电阻，选择足够大尺寸 (W/L)6 使得VGS6 ≈VTH6, 因此VB=VGS5+VGS4VTHM6
缺点:虽然电路不需要电阻，但仍然由于体效 应而存在误差
– 因此，设计时需要留一些余量.
VDD I1
IREF
VOUT
RB
Z
VB
M0
M4
X
IOUT=IREF M3 Y
M1
M5
M2
I1
M6 VB
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2020/5/6
8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
3.2.1 简单电流源
• NMOS电流源: 工作在饱和区的MOSFET
VDD iOUT
iOUT
vOUT ≥VBIAS VTHN
斜率=1/rout
r 1 out
iOUT vOUT
IOUT
VGS=VBIAS
M1 VBIAS
+ vOUT -
0 VBIAS - VTHN
vOUT
2020/5/6
iOUT
1 2
+
-
+
vout
rs
vs
-
-
rout
vout iout
rs ro2 [( gm2 gmb2)ro2 ]rs
缺点:虽然电路不需要电阻，但仍然由于体效 应而存在误差
– 因此，设计时需要留一些余量.
VDD I1
IREF
VOUT
RB
Z
VB
M0
M4
X
IOUT=IREF M3 Y
M1
M5
M2
I1
M6 VB
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
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8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
3.2.1 简单电流源
• NMOS电流源: 工作在饱和区的MOSFET
VDD iOUT
iOUT
vOUT ≥VBIAS VTHN
斜率=1/rout
r 1 out
iOUT vOUT
IOUT
VGS=VBIAS
M1 VBIAS
+ vOUT -
0 VBIAS - VTHN
vOUT
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iOUT
1 2
+
-
+
vout
rs
vs
-
-
rout
vout iout
rs ro2 [( gm2 gmb2)ro2 ]rs
第五章 电流镜
大信号分析
当Vin1<<Vin2时，M1,3,4关断，各支路无电流Vout=0。随 着Vin1逐渐增大，I4逐渐变大，I2逐渐变小，Vout处的寄生 电容被充电，电位升高。Vin1=Vin2时，Vout=VF=VDD-VSG3 。Vin1>>Vin2时，M2关断，Vout变为VDD。(Vin=Vin2时， 为什么Vout=VF?) 若Vout<VF，M1流过的电流将大于M2，M3流过的电流将 小于M4，这是互相矛盾的。
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2014, zhengran
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。
第五章 电流镜 Copyright 2014, zhengran
CMOS模拟集成电路设计
18
5.3 低压共源共栅电流镜
这个电路不采用电阻，避开了电阻的精度问题。 只要合理放大M7的尺寸就能够使VGS7≈VTH7，从而 获得前述要求的关系式。然而这个结构同样存在 衬偏效应的问题。 使用源跟随器MS，直接使共源共栅级的偏置下 降VTH，这样一来也可以使电压余度消耗为两 个过驱动电压。但A,B两点的电位将不能近似 相等，导致精度的损失。这种结构有时也会使 用，因为共源共栅结构的电流镜不单单是为了 实现高精度，我们也有时仅仅利用其高输出阻 抗。
第五章 电流镜
L 2 W 1 I out ≈ un Cox ( ) 2 (VGS − VTH ) 2 L 2 (W / L) 2 I REF ⇒ I out = (W / L)1 I REF ≈ un Cox ( )1 (VGS − VTH )
电流可以按照比例被复制，而且不受工艺和温度的影响。
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, zhengran
5.4 与差动对结合的电流镜
7
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
Copyright 2011, zhengran
8
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。
Copyright 2011, zhengran
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
10
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
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, zhengran
20
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？)
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
7
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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8
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。
Copyright 2011, zhengran
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
10
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
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, zhengran
20
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？)
模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第5章无源和有源电流镜PPT课件
基于IREF，“复制”产生所需各电流
常转用换复为制电方流法是先把IREF转换为电压，在由该电压
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
77
基本电流镜－等量复制
镜面
基本电流镜
I REF
=
n C ox
W (VGS
VTH ) 2
2L
I out = ff 1( I REF ) = I REF
I REF = f (VGS )
模拟集成电路原理
第5章 无源与有源电流镜
11
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
22
明确几个概念
电流源
Current source
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
55
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％
I OUT n Cox W ( R2 VDD
L L eff 2
drawn2
2LD= Ldrawn1 Leff 1= Ldrawn1 2LD Ldrawn1 2LD L L drawn2 eff 2 Ldrawn2 2LD Ldrawn2
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
常转用换复为制电方流法是先把IREF转换为电压，在由该电压
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77
基本电流镜－等量复制
镜面
基本电流镜
I REF
=
n C ox
W (VGS
VTH ) 2
2L
I out = ff 1( I REF ) = I REF
I REF = f (VGS )
模拟集成电路原理
第5章 无源与有源电流镜
11
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
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22
明确几个概念
电流源
Current source
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
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55
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％
I OUT n Cox W ( R2 VDD
L L eff 2
drawn2
2LD= Ldrawn1 Leff 1= Ldrawn1 2LD Ldrawn1 2LD L L drawn2 eff 2 Ldrawn2 2LD Ldrawn2
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
chapter5电流镜
4
≈
ro 2 g m 2 1 + ro 2
ro 4
ro4 + 1
∴
Av
= Vout Vin
= VP Vin
Vout VP
=
ro2
× ro2 g m2
ro4 + 2 1 + ro2
ro2
ro4
( ) = ro4ro2 g m2
ro4 + 2ro2
=
gm2 2
[
2ro2
|| ro4 ]
2009-3-24
μ
n C ox
(W L
)1
(VGS
− VTH ) 2
I out
≈
1 2
μ
n C ox
(W L
)
2
(VGS
− VTH ) 2
得：I out
=
(W / L)2 (W / L)1
I REF
• 电流镜优点：较精确复制电流，不受工艺和温度影响。
2009-3-24
4
Example 5.1
I D2
=
(W / L)2 (W / L)1
2009-3-24
15
使用源级跟随器进行电平位移
• 插入Ms，使 VGS0 = VGS3
VGS ,S ≈ VTH 3
则VN ' ≈ VN − VTH 3
• 如何设计使
VGS ,S ≈ VTH ,S ≈ VTH 3
IS
=
1 2
μ
n
Cox
⎜⎛ ⎝
W L
⎟⎞ ⎠
S
(VGS
,S
− VTH ,S ) 2
具体做法是使电流源很小，而(W/L)s较大。
CMOS-模拟集成电路课件-电流源与电流镜
+ VTHN+2VOD
W/(4L)
VB
-
M4
VDD
W/L
M0
W/L
M1
IREF
Z +
VOUT IOUT=IREF
W/L +
VOD -
M3
VOD -
+
W/L
+
VOD -
M2
VOD -
例4：自偏置 增加R使得 IREFR = VOD，
VGS1 = VTHN + VOD 这样,
VB= VTHN + 2VOD
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2024/10/19
8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
2024/10/19
VDD IREF
+ VOD R
-
VB = 2VOD +VTHN VOUT
IOUT=IREF
+
M0 X
VOD
M3
Y+
VGS = +
VOD
M1 VOD +VTHN M2
-
16
-
小结
• 工作在饱和区的MOS晶体管可以充当电流源 • 基本电流镜—基于电流复制 • 共源共栅电流镜—提高复制精度 • 大输出摆幅共源共栅电流源—使得输出的下限等
电流镜实验报告
一、实验目的1. 理解电流镜的基本原理和工作原理。
2. 学习电流镜的设计方法和电路结构。
3. 通过实验验证电流镜的性能，包括增益、线性度和稳定性等。
二、实验原理电流镜是一种模拟电路，其基本原理是利用MOSFET的电流控制特性，通过电流的反馈和调节，使得输出电流与输入电流保持一定的比例关系。
电流镜在模拟电路中具有广泛的应用，如放大器、缓冲器、电流源等。
三、实验器材1. CMOS集成电路设计软件（如Cadence、Hspice等）。
2. 电流镜实验电路板。
3. 信号源、示波器、万用表等测量仪器。
四、实验步骤1. 电流镜电路设计（1）根据实验要求，选择合适的MOSFET器件，确定电路参数。
（2）绘制电流镜电路原理图，包括输入端、输出端和反馈电阻。
（3）使用CMOS集成电路设计软件进行电路仿真，优化电路参数。
2. 电流镜电路搭建（1）根据原理图，将电流镜电路搭建在实验电路板上。
（2）连接信号源、示波器和万用表等测量仪器。
3. 电流镜性能测试（1）输入端施加一定幅值的直流电压，测量输出电流，验证电流镜的增益。
（2）输入端施加一定幅值的交流信号，测量输出电流，验证电流镜的线性度。
（3）改变输入端信号频率，观察电流镜的稳定性。
（4）通过调整反馈电阻，观察电流镜增益的变化，验证电流镜的调节性能。
五、实验结果与分析1. 电流镜增益测试实验中，输入端施加1V直流电压，输出电流为1mA，电流镜的增益为1。
通过调整反馈电阻，可以改变电流镜的增益。
2. 电流镜线性度测试实验中，输入端施加1kHz、1V的交流信号，输出电流线性度较好，符合设计要求。
3. 电流镜稳定性测试实验中，输入端信号频率在100Hz～1MHz范围内变化，电流镜的稳定性较好，符合设计要求。
4. 电流镜调节性能测试实验中，通过调整反馈电阻，可以改变电流镜的增益，验证了电流镜的调节性能。
六、实验结论1. 通过本次实验，掌握了电流镜的基本原理和工作原理。
2. 学会了电流镜的设计方法和电路结构。
第5章 无源与有源电流镜
共源共栅屏蔽特性
华侨大学IC设计中心
若系统内部电路导致X 点的电压与Y 点的电压由∆V的差值， 则P点电压与Q点电压的差值为多少？
∆VP ,Q ≈ ∆V [( gm 3 + gmb 3 )rO 3 ]
见书P75,式3.130 P75,式
共源共栅器件可以使底部晶体管免受变化的影响。
共源共栅电流镜
抑制沟道长度调制效应
基本电流源的误差
沟道长度调制效应
Y
X
华侨大学IC设计中心
(W L ) 2 λ＝0， I out = I REF ⇒ (W L ) 1 λ ≠ 0：
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS1 ) 2 L 1
I D1 =
。
I D2 =
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS 2 ) 2 L 2
= (VGS 3 − VTH ) + (VGS 2 − VTH ) + VTH
VN = VGS 0＋VX = VGS 3 + VY = VGS 3 + VGS 2
两个过驱动电压加上一个阈值电压
M2饱和，VY ≥ VGS 2 − VTH M 1饱和，VP − VY ≥ VGS 3 − VTH ⇒ VP ≥ (VGS 2 − VTH ) + (VGS 3 − VTH )
I D 2 (W L )2 1 + λVDS 2 = ⋅ I D1 (W L )1 1 + λV DS1
VGS 1 = VGS 2 = VDS 1 , 但是VX 可能不等于VY，即VDS1 ≠ VDS2 导致I out ≠ I ref
电流镜[1]
M1
比如先确定MOS宽长比，VX
如此，便可以算出ID并求得R值。
（VX的选择一般是比VTH大0.15-0.3V）。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
部分改进的电流镜电路
这是简单的产生参考电流源的方法，事实上该方法产生的电流 性能很差，随电源电压或工艺影响或温度影响偏差很大，在实 际中我们一般不会使用该方法产生参考电流源。 使用方法2和方法3的来产生电流源将会在以后的课程中涉及。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
最 小 输 出 电 压 V IN m i n
ro
Nro
g m 2 ro 2 ro1 g m 2 ro 2 ro1
g m 2 ro 2 ro1
g m 2 ro 2 RS
VTH + 2Vov
Vov Vov
2Vov 2Vov 2Vov
Copyright by Huang Weiwei
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
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部分改进的电流镜电路
方法1：在不改变宽长比的情况下增加MOS的沟道长度可 以减小沟道长度调制系数，从而增加等效输出电阻。 优点：最小工作电压不变，结构简单 缺点：沟道长度变化不明显时，调制系数变化不明显。沟 道长度太大的话又太占版图面积且增加等效输出电容。
如此也可以减小沟道长度调制效应 对电流镜复制精度的影响。
M1
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
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部分改进的电流镜电路
Vmin = VGS 2 − VTH = (2VTH + Vod ) − VTH =VTH + 2Vod
CMOS模拟集成电路设计05
CMOS 模拟集成电路设计
巢明
大连理工大学 电信学院 1
CMOS放大器
课程目的:
掌握CMOS反相器的分析设计方法 掌握CMOS差分放大器的分析设计方法 掌握CMOS叠接放大器的分析设计方法 掌握CMOS电流放大器的分析设计方法 掌握CMOS输出放大器的分析设计方法 掌握各种放大器的噪声分析方法
大连理工大学 电信学院 2
23
CMOS差分放大器
Vout v1 + v2 = AVD (v1 v2 ) + AVC ( ) 2
AVD:差分增益 AVC:共模增益 AVD/AVC:共模抑制比 VOS(out)/AVC:输入失调电压 VICMR:共模输入电压范围 PSRR:电源抑制比 噪声
大连理工大学 电信学院
24
�
大连理工大学 电信学院 12
电流源负载反相器
Vout摆幅?
大连理工大学 电信学院
13
Vout摆幅
大连理工大学 电信学院
14
电流源负载反相器:小信号模型
重要结论!
大连理工大学 电信学院
15
有源负载反相器:频率特性
电容间的对应关系? (假设Vin接低阻抗电压源)
大连理工大学 电信学院 16
有源负载反相器:频率特性
6
Vout摆幅的求解过程
大连理工大学 电信学院
7
有源负载反相器:小信号模型
大连理工大学 电信学院
8
有源负载反相器:频率特性
电容间的对应关系? (假设Vin接低阻抗电压源)
大连理工大学 电信学院 9
有源负载反相器:率特性
大连理工大学 电信学院
10
有源负载反相器:频率特性
-3dB点的位置?
巢明
大连理工大学 电信学院 1
CMOS放大器
课程目的:
掌握CMOS反相器的分析设计方法 掌握CMOS差分放大器的分析设计方法 掌握CMOS叠接放大器的分析设计方法 掌握CMOS电流放大器的分析设计方法 掌握CMOS输出放大器的分析设计方法 掌握各种放大器的噪声分析方法
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23
CMOS差分放大器
Vout v1 + v2 = AVD (v1 v2 ) + AVC ( ) 2
AVD:差分增益 AVC:共模增益 AVD/AVC:共模抑制比 VOS(out)/AVC:输入失调电压 VICMR:共模输入电压范围 PSRR:电源抑制比 噪声
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24
�
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电流源负载反相器
Vout摆幅?
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Vout摆幅
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14
电流源负载反相器:小信号模型
重要结论!
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有源负载反相器:频率特性
电容间的对应关系? (假设Vin接低阻抗电压源)
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有源负载反相器:频率特性
6
Vout摆幅的求解过程
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7
有源负载反相器:小信号模型
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有源负载反相器:频率特性
电容间的对应关系? (假设Vin接低阻抗电压源)
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有源负载反相器:率特性
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有源负载反相器:频率特性
-3dB点的位置?
课程设计-cmos模拟集成电路设计
《CMOS模拟集成电路设计》课程设计项目：有源电流镜差分放大器的设计＋－基本目标：设计一个有源电流镜作为负载，输入管为NMOS的差动输入到单端输出的放大器，要求尽可能满足下列要求。
不要求设计偏置电流电路，可以用3uA的恒流源替代。
工艺0.35um Psub Twin-Well CMOS Process A V >140 VDD 3.3V CMRR >30dBVSS 0V PSRR >30dB（V in,com=1.6V）P D越小越好V Out,DC 1.6VRate >1V/usCL 5pF Slew设计要求：（1） 给出满足题目要求的完整电路图（2） 根据设计目标，手工计算各MOS管的尺寸（3） 根据MOS管尺寸，手工验算设计指标是否满足（4） 利用Hspice对电路进行仿真，仿真内容包括：直流输入范围、直流输出范围、交流小信号增益、共模抑制比、电源抑制比、功耗。
（5） 对结果进行分析（6） 比较各项指标，完成下表工艺设计指标计算值仿真值是否达到指标（V IDC=01.6V）V ODC 1.6VP D <33uWA V >140CMRR >30dBPSRR >30dB报告要求：第一部分：题目要求第二部分：设计过程（1） 电路图（2） 详细的计算过程（3） MOS管尺寸汇总表（4） 手工推导验算设计指标（5） 讨论第三部分：仿真过程（1） 仿真电路图（2） 电路网表（3） 直流分析（每一种仿真的电路图、激励、仿真波形、结果分析）（4） 交流分析（每一种仿真的电路图、激励、仿真波形、结果分析）第四部分：结论完成各项指标的设计指标、计算值和仿真值的比较。
给出设计结论。
第五部分：心得体会补充说明：1、仿真报告撰写中波形图的张贴：安装Adobe Acrobat，将波形打印成黑白颜色的pdf，再将pdf中的波形图拷贝到报告中。
不要直接拷屏。
下图是一个波形实例：2、格式：采用本科毕业论文格式要求。
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精品文档 行的普通股股数× （已发行时间÷报告期时间） －当期回购的普通股股数× （已回购时间÷ 报告期时间） （4）实例：本公司未发行可转换公司债券、认股权证、股份期权等稀释性潜在普通股，所 以计算过程与结果同基本每股收益。
（1）概念 : 复利是一种计算利息的方法。按照这种方法，利息除了会根据本金计算外，新 得到的利息同样可以生息，因此俗称“利滚利” 、“驴打滚”或“利叠利”。只要计算利息的 周期越密，财富增长越快，而随着年期越长，复利效应亦会越为明显。 （2）计算公式：最简单的复利公式如下： FV=PV(1+i)^n
ROE=144000195.15 ÷（916171029.94+144000195.15 ÷2-45240490.4 ×8÷12） =15.03%
精品文档
=36.22%
（1）概念：一项投资在特定时间期内的年度增长率。 （2）计算公式：复合增长率（ CAGR ）=(现有价值 /基础价值 )^(1/ 年数 ) – 1，
总资产收益率 =净利润÷【（期初资产总额 +期末资产总额）÷ 2】×100%=14.08%
（1）概念：又称所有者权益报酬率或股东权益收益率，是企业一定时期内净利润与平均净 资产的比率。用来衡量企业所有者权益获得报酬的水平。 （2）计算公式： ROE = P/(E0 + NP÷2 + Ei×Mi÷M0 - Ej×Mj÷M0) .
其中，现有价值是指你要计算的某项指标本年度的数目； 基础价值是指你计算的年度 上一年的这项指标的数据，如你计算 2 年，则是计算上溯第 3 年的数值； ^是乘方的意思， 开方方法为在计算器上点 x^y 健，再点（ 1/年数）的数值即可。
（3）实例：以本公司 2009 年净利润为基数，计算 2010 年和 2011 年净利润的复合增 长率，给出数据如下：
FV（Future Value ）是指财富在未来的价值； PV（Present Value ）是指现值，亦即指 本金； i（interest ）是指周期内的固定利率或固定回报率， ^指幂， n 则是累计的周期。
例如：假如投资某公司固定投资回报率为 10% ，10 万元在 3 年后会增值多少呢，我 们一起来计算一下，将数据代入公式，
精品文档
（1）概念：归属于普通股股东的当期净利润除以当期实际发行在外的普通股的加权平均数 的商。 （2）特点：它仅考虑当期实际发行在外的普通股股份。 （3）计算公式：
基本每股收益 = 归属于普通股股东的当期净利润÷ 当期实际发行在外的普通股加权平均数 当期实际发行在外的普通股加权平均数 = 期初发行在外普通股股数＋当期新发行的 普通股股数× （已发行时间÷报告期时间） －当期回购的普通股股数× （已回购时间÷报告 期时间） （4）实例：本公司 2011 年度的基本每股收益计算过程 当期净利润 =144000195.15 ；普通股加权平均数 =161573180 基本每股收益 =当期净利润÷普通股加权平均数 =144000195.15 ÷161573180=0.89 （保留两位小数）
2011 年公司净利润为 144,000,195.15 元，期初净资产为 916,171,029.94 元， 2011 年未发行新股或债转股等新增资产， 2011 年实施了 2010 年度的利润现金分红 45,240,490.4 元，减少净资产下一月份至报告期期末的月份数为 8，报告期月份数为 12，代入公式：
其中：P 为归属于公司普通股股东ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ净利润； NP 为报告期净利润； E0 为期初净资产； Ei 为报告期发行新股或债转股等新增净资产； Ej 为报告期回购或现金分红等减少净资产； M0 为报告期月份数； Mi 为新增净资产下一月份起至报告期期末的月份数； Mj 为减少净资 产下一月份起至报告期期末的月份数。 （3）实例：以本公司 2011 年加权平均净资产收益率的计算过程为例
2009 年公司实现净利润 40622289.75 元
2010 年公司实现净利润 53700768.48 元 2011 年公司实现净利润 144000195.15 元 所以本公司 2010 年净利润复合增长率（以 2009 年为基数） =（53700768.48 ÷
复利 =100000 ×（ 1+10% ）3=133100 133100-100000=33100 三年增值了 33100 元。
（1）概念：股息率 (Dividend Yield Ratio) 是股息与股票价格之间的比率。在投资实践中，
精品文档
（3）实例：本公司 2011 年净利润为 144000195.15 ，2011 年初的资产总额 969018744.11, 2011 年末的资产总额为 1076751201.05