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
CMOS模拟集成电路设计第5章电流镜
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：
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。
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
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
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– 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
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I ss
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.
• 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，
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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
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。
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
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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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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
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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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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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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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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
《模拟CMOS集成电路设计》5无源与有源电流镜
《模拟CMOS集成电路设计》5无源与有源电流镜
CMOS集成电路设计中，电流镜是一种重要的特性。
有源电流镜和无
源电流镜是典型的两种电流镜，它们的特性、使用和应用有以下不同：有源电流镜通常是指CMOS集成电路中的四期电流镜。
它包括一个有
源放大器、一个有源稳压器、三个有源电流源（I1、I2和I3）和一个有
源电流汇（I4）。
I1、I2和I3是输入端的电流源，I4是输出端的电流汇，且I4=I1+I2+I3、有源电流镜可以在输出端提供一个高精度、一致的电流值，具有良好的纹波抑制能力。
因此它非常适合于用于高精度的运算放大器、运放电路和低噪声稳压电路。
二、无源电流镜
无源电流镜是指CMOS集成电路中的二期电流镜，它只包括两个无源
电流源（I1和I2）和两个无源电流汇（I3和I4），且I4=I1+I2、无源
电流镜比有源电流镜结构简单，占用的空间少，具有较低的成本，因此用
于普通的运算放大器、运放电路和稳压电路。
但无源电流镜的精度低于有
源电流镜，并且具有较大的纹波和噪声。
总之，有源电流镜与无源电流镜在CMOS集成电路设计中有着不同的
应用和特性。
电流镜在电流模式电路中的应用
电流模式电路是一种以电流作为信号处理有源参数或变量的电路。新近的研究表明，以电流模式有源器件为基础 的电流模式电路在电路性能方面有优于电压模式电路之处。目前使用CM技术的电流模式电路包括:a)连续时间电流模式 电路利用CM的栅极电容和MOS管跨导gm完成滤波器中的阻容时间常数，可直接用CM作为有源积木块，应用于电流模 式电路设计。（b）SI滤波器：用开关电流镜可构成SI积分器，利用该通用积分器，可实现 各种形式的SI滤波器。 3.电流模式神经网络
V1
V2
I1
I2
I1
I2
N1
N2
I1N0I0源自I0I2in
M1
iout M2
Vss
(a)示意图
(b)代表符号
(c)基本电流镜电路
图2-1 电流镜基本概念
电流镜概述
实用电流镜应 该具有以下三 点基本性能：
第四页
输出支路电流I1基本与节点N2的电压V2无
壹
关,V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏 到几伏的任何电位，即N0节点的增量输出电阻
电流镜的原理及应用
目录页
第一页
电流镜的基本理论 电流镜概述 CM在电流模式电路中的应用 总结
电流镜的基本理论
第二页
电流镜(Current Mirror)是一种信号 处理的标准部件，同运算放大器、电流 传输器、电流反馈放大器一样，使用在 模拟和数模混合模式VLSI电路中。它能 将电路中某一支路的参考电流在其它支 路中得以重现或复制[3]。由于其电流复 制能力，它常被用来构成模拟集成电路 和器件中支流偏置电流源，成为模拟集 成电路中应用最为广泛的电路技术之一。
且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，
叁
即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的
V1
V2
I1
I2
I1
I2
N1
N2
I1N0I0源自I0I2in
M1
iout M2
Vss
(a)示意图
(b)代表符号
(c)基本电流镜电路
图2-1 电流镜基本概念
电流镜概述
实用电流镜应 该具有以下三 点基本性能：
第四页
输出支路电流I1基本与节点N2的电压V2无
壹
关,V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏 到几伏的任何电位，即N0节点的增量输出电阻
电流镜的原理及应用
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第一页
电流镜的基本理论 电流镜概述 CM在电流模式电路中的应用 总结
电流镜的基本理论
第二页
电流镜(Current Mirror)是一种信号 处理的标准部件，同运算放大器、电流 传输器、电流反馈放大器一样，使用在 模拟和数模混合模式VLSI电路中。它能 将电路中某一支路的参考电流在其它支 路中得以重现或复制[3]。由于其电流复 制能力，它常被用来构成模拟集成电路 和器件中支流偏置电流源，成为模拟集 成电路中应用最为广泛的电路技术之一。
且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，
叁
即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的
模拟集成电路无源与有源电流镜
有源电流镜用于实现快速响应和低噪声的自动增益控制电路。
无源与有源电流镜混合应用案例
1 2 3
高速数据转换器
在高速数据转换器中，无源和有源电流镜可以结 合使用，以实现高带宽、低噪声和低功耗的性能。
音频和视频信号处理
在音频和视频信号处理电路中，无源和有源电流 镜可以协同工作，提供清晰、动态范围广的信号 输出。
03
有源电流镜
工作原理
复制源极电流
有源电流镜通过复制源极的电流，将 其传输到输出端，以实现电流的精确 复制和传输。
线性传输
有源电流镜在传输过程中保持电流的 线性关系，使得输出电流与源极电流 成正比，不受电压和温度变化的影响。
电压和电流放大
有源电流镜通常包含电压和电流放大 器，以调整和放大源极的电流，确保 在传输过程中保持电流的稳定性和精 度。
有源电流镜的优点包括高带宽和低功耗。然而，它们可能存 在误差和失调，并且在高精度应用中可能不够可靠。
05
实际应用案例
无源电流镜应用案例
电压基准源
无源电流镜可用于构建高精度的电压基准源，具 有低噪声、低温漂移和低功耗等优点。
运算放大器
无源电流镜作为运算放大器的输入级，能够提供 快速的响应速度和低噪声性能。
生物医学仪器
在生物医学仪器中，无源和有源电流镜的混合使 用可以实现高精度、低噪声的生理信号测量和放 大。
06
未来发展趋势与挑战
技术发展与挑战
技术创新
01
随着科技的不断进步，无源和有源电流镜技术也在不断发展，
面临着技术更新换代的挑战。
精度和稳定性
02
提高电流镜的精度和稳定性是无源和有源电流镜技术发展的重
医疗电子设备对于精度和稳定性要求极高，无源和有源电 流镜需要满足医疗设备的高标准要求，这也是一项巨大的 挑战。
无源与有源电流镜混合应用案例
1 2 3
高速数据转换器
在高速数据转换器中，无源和有源电流镜可以结 合使用，以实现高带宽、低噪声和低功耗的性能。
音频和视频信号处理
在音频和视频信号处理电路中，无源和有源电流 镜可以协同工作，提供清晰、动态范围广的信号 输出。
03
有源电流镜
工作原理
复制源极电流
有源电流镜通过复制源极的电流，将 其传输到输出端，以实现电流的精确 复制和传输。
线性传输
有源电流镜在传输过程中保持电流的 线性关系，使得输出电流与源极电流 成正比，不受电压和温度变化的影响。
电压和电流放大
有源电流镜通常包含电压和电流放大 器，以调整和放大源极的电流，确保 在传输过程中保持电流的稳定性和精 度。
有源电流镜的优点包括高带宽和低功耗。然而，它们可能存 在误差和失调，并且在高精度应用中可能不够可靠。
05
实际应用案例
无源电流镜应用案例
电压基准源
无源电流镜可用于构建高精度的电压基准源，具 有低噪声、低温漂移和低功耗等优点。
运算放大器
无源电流镜作为运算放大器的输入级，能够提供 快速的响应速度和低噪声性能。
生物医学仪器
在生物医学仪器中，无源和有源电流镜的混合使 用可以实现高精度、低噪声的生理信号测量和放 大。
06
未来发展趋势与挑战
技术发展与挑战
技术创新
01
随着科技的不断进步，无源和有源电流镜技术也在不断发展，
面临着技术更新换代的挑战。
精度和稳定性
02
提高电流镜的精度和稳定性是无源和有源电流镜技术发展的重
医疗电子设备对于精度和稳定性要求极高，无源和有源电 流镜需要满足医疗设备的高标准要求，这也是一项巨大的 挑战。
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。
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜
19
5.4 与差动对结合的电流镜
电流镜与差动对的结合可以将差动输入信号转换为单端输出信号。
M1的小信号电流经过M3镜像到M4中，M4和M2的小信 号电流的矢量和流过输出端的负载使Vout发生变化。这 也是差分运放的一种形式。
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
16
5.3 低压共源共栅电流镜
低压共源共栅电流镜，或者叫“低电压余度消耗”的共源共 栅电流镜。 (b)图比(a)图多消耗了相当于一个 阈值的电压余度。主要是因为M1 的二极管形式连接。因此将拓扑 改造成左下方所示的结构。只要 合理的设置Vb就可以减小电压余 度消耗。 VGS1 ≥ Vb − VTH 2 , Vb − VGS 2 ≥ VGS1 − VTH 1 ⇒ VGS 2 + VGS1 − VTH 1 ≤ Vb ≤ VGS1 + VTH 2
共源共栅电流镜
体效应在两个管子上表现出相同的阈值变化。
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
14
5.2 共源共栅电流镜
例：画出VX和VY与IREF的关系草图。如果IREF作为电流源工作， 其两端的电压不能小于0.5V，则IREF能提供的最大电流值是多少？ （不考虑体效应，管子尺寸及工艺参数已知）
19
5.4 与差动对结合的电流镜
电流镜与差动对的结合可以将差动输入信号转换为单端输出信号。
M1的小信号电流经过M3镜像到M4中，M4和M2的小信 号电流的矢量和流过输出端的负载使Vout发生变化。这 也是差分运放的一种形式。
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
16
5.3 低压共源共栅电流镜
低压共源共栅电流镜，或者叫“低电压余度消耗”的共源共 栅电流镜。 (b)图比(a)图多消耗了相当于一个 阈值的电压余度。主要是因为M1 的二极管形式连接。因此将拓扑 改造成左下方所示的结构。只要 合理的设置Vb就可以减小电压余 度消耗。 VGS1 ≥ Vb − VTH 2 , Vb − VGS 2 ≥ VGS1 − VTH 1 ⇒ VGS 2 + VGS1 − VTH 1 ≤ Vb ≤ VGS1 + VTH 2
共源共栅电流镜
体效应在两个管子上表现出相同的阈值变化。
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
14
5.2 共源共栅电流镜
例：画出VX和VY与IREF的关系草图。如果IREF作为电流源工作， 其两端的电压不能小于0.5V，则IREF能提供的最大电流值是多少？ （不考虑体效应，管子尺寸及工艺参数已知）
CMOS电流镜原理及应用分析
电流源直流电阻很小和交流 电阻很大, 因此 被广泛应用于共射极放大器、共集电极放大器和差 动放大器等电路, 使得放大器每级的增益相当高, 并使其它性能指标得到改善。
4 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路
电流源要得到较理想的输出电流, 必须有性能 优良的偏置电路对它进行偏置。结合共源共栅电 流镜结构, 设计了一个高输出摆幅、高输出阻抗恒 流源偏置电路, 如图 4 所示。
43 003 3)
Abs tr act Curr ent mir ror is a basic for m in the analog int egrat ed circuits, which consists of two or more pa rallel cur rent br anches. They ar e in pr opor tion on certain r at io r elationship each other . Research and discussion on CMOS cir cuit m irr orps theory and technology is of important significance. This paper introduces CMps basic principle simply( based on NMOS CM) , analyses its application in difference amplif ier and demonstrates its char acter istics, and discusses a kind of high2swing CM st ruct ur e.
所以, 依据饱和区的萨氏方程, 参考支路的电流 I r
和输出支路的电流 I o 关系见下式
4 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路
电流源要得到较理想的输出电流, 必须有性能 优良的偏置电路对它进行偏置。结合共源共栅电 流镜结构, 设计了一个高输出摆幅、高输出阻抗恒 流源偏置电路, 如图 4 所示。
43 003 3)
Abs tr act Curr ent mir ror is a basic for m in the analog int egrat ed circuits, which consists of two or more pa rallel cur rent br anches. They ar e in pr opor tion on certain r at io r elationship each other . Research and discussion on CMOS cir cuit m irr orps theory and technology is of important significance. This paper introduces CMps basic principle simply( based on NMOS CM) , analyses its application in difference amplif ier and demonstrates its char acter istics, and discusses a kind of high2swing CM st ruct ur e.
所以, 依据饱和区的萨氏方程, 参考支路的电流 I r
和输出支路的电流 I o 关系见下式
chapter5电流镜
2009-3-24
6
Example 5.2
• M1的小信号漏电流 ： i1 = g V m1 in
I D3
= ID2
(W / L)3 (W / L)2
=
I
D1
(W (W
/ /
L)3 L)2
• 小信号漏电流 ：
i3
= i1
(W / L)3 (W / L)2
=
g V m1 in
(W / L)3 (W / L)2
• 工艺误差对于共模输出电平影响比较大。
2009-3-24
21
5.3.1 Large-signal analysis
• 考察 Vin1 − Vin2 从很负到很正变化（ Vin1 = Vin2 时， 应保证P点电位使M5工作在饱和区）。
• Vin1 − Vin2 很负时，M1、M3和M4截止。故无电 流 从 VDD 流 出 ， M2 和 M5 工 作 在 深 线 性 区 ， Vout=0。
xyvv22223321120021212121thgsoxnthgsoxnoutthgsoxnthgsoxnrefvvlwcvvlwcivvlwcvvlwci????????????????????????????example53112009324已知电流源两端电压最小为05vvddvn解出最大irefmaxythoxnrefxthxnoxnthxoxnrefvvlwcivvvvlwcvvlwci?????????????????????1120021122121011000110002222ththoxnrefththoxnrefoxnrefthxoxnrefnvvwlwllwcivvlwcilwcivvlwciv????????????????????????????????????????????电压余度122009324voltageheadroom分析
聊聊电流镜——精选推荐
聊聊电流镜作者：131v1vv 本⽂来源于作者EETOP论坛帖⼦及作者公众号：不忘初⼼的模拟⼩⽜⽜这期来点轻松的，聊⼀聊你知道的和不知道的电流镜。
电流源可算是模拟集成电路中最基础的内容，也是有很多花样的基本单元。
电流源是笼统的叫法，具体会根据电流的流向，分别叫做电流源（Current Source）和电流沉（Current Sink），如图1所⽰。
图1电流源通常都是以电流镜（Current Mirror）的形式实现，可以看做是双端⼝电流放⼤器。
关注的指标为输⼊侧的最⼩输⼊电压和输⼊阻抗，输出侧的输出摆幅和输出阻抗，同时还有电流增益，如图2所⽰。
图2简单的NMOSFET的I-V特性如图3所⽰。
在线性区是向下开⼝的抛物线，在饱和区会有所区别。
理想情况下，电流不随Vds的变化⽽变化，实际情况会表现出有限甚⾄很⼩的输出阻抗。
图3随着先进⼯艺向低压低功耗的⽅向演进，MOS的⾮理想因素越来越多，如图4所⽰，这也对最简单的电流镜的设计提出了挑战。
图4电流镜改进设计中，有许多很好的结构。
我们把常见的都列出来，如图5~图8所⽰。
图5(a)是最基本的电流镜结构，图5(b)是加⼊了负反馈的威尔逊电流镜。
图5图6中为Cascode结构的电流镜及其改进形式。
其中的(e)算是⽤的⽐较多的，性能⽐较好的⼀种结构，其缺点就是需要额外的⼀路偏置电流。
图6图7(f)是贝尔实验室的Sooch于1985年，申请的专利号为4550284的美国专利提到的结构，当然图7(f)中Q3a⼯作临界饱和状态，其简单的等效原理可以表⽰为图7(g)，电阻32实现⾃偏置的功能。
图7图8(h)是Aashi公司的Ichiro于1999年，申请的美国专利中提到的结构，专利号为5966005，有兴趣的可以查阅看⼀下。
在原始的专利中，Ichiro提到利⽤短沟道效应，通过使⽤不同的沟道长度，配合不同的阈值电压。
实现Q2⼯作在饱和区，从⽽实现较⾼的输出阻抗（反向短沟道效应，会使阈值随沟道长度减⼩⽽增⼤，貌似这样该结构就⽆法保证Q2⼯作在饱和区。
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• 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
1、基本电流镜
• 电流源的设计是基于对基准电流的“复制”；
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
– 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，应满足：
得到
，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24，若选择
–
–
M34消耗的电压余度最小(M3与M4过驱
若3>>13
比无器件失配时多此项
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
• 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, IWRE2F ＝IOUT 4(5±0.1)μm
• 则 4(5±0.1)/ (5±0.1)=4
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？
版图设计 4
2、共源共栅电流镜
–
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()7，从而7
≈7，这样567
–
缺点：虽然不需要电阻，但M2有衬偏
效应，而M5没有，仍会产生误差。
– 因此，设计中给出余量。
3、电流镜作负载的差动对
• 3.1大信号分析
• 12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0，0；
• 随12增长，M1开始导通， 使5的一部分流经M3，M4开 启，增长
• 当1和2相当时，M2和M4都 处于饱和区，产生一个高增
– 输入共模电压的选择
– 为使M2饱和，输出电压不能 小于，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1,25。
– 当12时，电路的输出电压3|
动电压之和)。且可以精确复制。
– 低压的共源共栅电流镜中的偏置如何产生？
–
设计思路:
–
让等于（或稍稍大于）2+(11),
–
–
例1：在图a中，选择I1和器件的尺寸，
使M5产生5≈2，进一步调整M6的尺寸和的阻
值，使6＝61 ≈11。
–
缺点：由于①M2有衬偏效应，而M5没
有② 实际中1大小不好控制，产生误差。
忽略rO1,2，并假设1/(2gm3,4)<<rO3,4,
则，
– 电路存在器件失配时 – 忽略1和2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
Δ1乘上M3的输出电阻得到3，34，可 以得到4的变化量为
3＝4
忽略1和2的影响，则电路的输出阻抗为4， Δ4电流与Δ2电流之差将流经4 ，且34，因此，