恒流源电路

M4
M3
电压仍不相同，因此提出 M1
M2
了一种改进型的威尔逊电
威尔逊电流源 ❖ 上图中引入了二极管连接的MOS管M4。
❖ 根据饱和萨氏方程，Io/IR的表达式与上式相同，且有：VDS1＝
VGS2＋VGS3－VGS4。设定VGS3＝VGS4，则有VDS1＝VGS2= VDS2
，则有：
Io (W L)2 IR (W L)1
❖ 如何改善Io的恒基流特本性电以流实镜现真结正构意义上的电流源，
可以看到原则上有两种方法：
1、减小以至消除M2的沟道调制效应（因为VDS1＝VGS1
为定值，故M1不影响Io的恒流特性），即通过增大 M2的沟道长度，以减小λ，增大输出阻抗，从而改善 恒流特性。
2、设定VDS2＝VDS1，则可知Io与IR只与M1、M2的宽长
IR
❖ 由图可以看出，三极管M3处于饱和区的条件为：
X
Io百度文库
V G 1 S V t1 h V b V G 3 ( SV A )
Vb
M3
M4
❖ 而三极管M1饱和的条件为：
A
B
V G 3 S ( V G 1 V S t1 h ) V b V G 1 V S t3 h
❖ 即：
M1
M2
❖
V G 3 ( S V G 1 V S t1 h ) V G 1 V S t3 h
：VGS4+VA=VGS3+VB，因此，若 (W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1，且VGS3=VGS4时可得到 VA=VB，即使M4与M3存在衬偏效应这个结果也成立。
❖ 该结r 构o 的 输r d 出2 阻 s 抗r 为d 4 ： s r d 2 r d s 4 ( 1 s 4 ) g m 4
❖ 假定gm1=gm2=gmro 3， 且grd m1r3dssg1>m >1 1r，d则1s上式可简化为：
威尔逊电流源
❖ 与基本电流镜结构相比，威尔逊电流源具有
更大的输出阻抗，所以其恒流特性得到了很 VDD
大的提高，且只采用了三个MOS管IR ，结构I简o 单，并可应用在亚阈值区。
❖ 但是图4中M3与M2的漏源
❖ 共源共栅电流源是采用共源共栅结构来促使
VDS2＝VDS1，从而改善VD恒D 流特性的一种VDD行之
有效的电路E 结构，其电IR路结构如图所示IR 。 E
VDD
Io
Io
D
IR
Vb
M3
M4
+
M4
D
M3
A
B
A
VGS4+VA
A
B
-
M1
M2
M1
M1
M2
共源共栅电流源―高输出阻抗恒 流源
❖ 适当选择M3与M4的尺寸，就可实现VGS3＝VGS4，且有
比相关，从而得到具有很好的恒流特性的电流源。
基本电流镜结构
❖ 因为沟道调制效应在小特征尺寸的CMOS工 艺中是不能消除的，因此通常是采用第二种 方法来改善电流源的恒流特性，由此而设计 出了多种恒流源电路结构。
❖ 另外，有时还由于存在不同的体效应，使各 自的阈值电压Vth不相等，因而其电流也会产 生偏差，这也可以通过电路的合理设计以消 除它对电流镜的影响。
威尔逊电流源
❖ 该电流源的基本原理是利用负反馈来提高电
流源的输出阻抗以使电流源具有良好的恒+流
特性V。DD
IV -
IR
Io
M3
gm3Vgs3
rds3
Vgs3 -
M1
M2
g m1Vgs1
rds1 Vgs2 Vgs1
gm2Vgs2
rds2
-
威尔逊电流源
❖ 上图中，由于VDS1=VGS3+VGS2，而VGS1=VGS2，所以：
V萨D氏S1>方IoV程GS可1(W ，得因L：)此2M(11 一定VD 工2 S作) 在饱和区，所以根据饱和 IR (WL)1 (1VD1S)
❖ 由于VDS2＝VGS2，VDS1=VGS2＋VGS3，即VDS1≠VDS2，所
以在这种电流源中，Io/IR的值不仅与M1、M2的几何尺寸 相关，还取决于VGS2与VGS3的值。
❖ 从上式可以看出：假如已有IR，只要改变 M1与M2的宽长比，就可设计出Io，它即可 以与IR相等，也可与IR成一比例关系，所 以也称为比例电流镜，这种技术在模拟集 成电路中有着广泛的应用，比如作为放大 器的负载。
❖ 但 变是 量由，于因存此在Io实沟际道上调不制是效一应个，恒且流VD源S2。是一
(W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1，一般取L1＝L2＝L3＝L4， 则VGS3＝VGS4，VGS2＝VGS1。
❖ 总之，该结构的电流仍与基本结构的相同，即仍取决于
底层的电流镜（M1与M2）。
低压共源共栅结构—常数Vb的偏 置
VDD
❖ 主要结V b 构 是V t一3 h 个V X 输( 出V 与G1 输)S入短路的共源共栅结构。
❖ 上式表明，该结构很好消除了沟道调制效应，是一精确的比例
电流源。而且只需四个MOS管就可实现，因此有较广泛的应用
。这种结构也可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。
❖ 而要达到VGS4=VGS3，根据饱和萨氏方程可以得到其条件为：
(W/L)3 (W/L)2 (W/L)4 (W/L)1
共源共栅电流源―高输出阻抗恒 流源
❖ 由上式可以发现，其输出阻抗很大，大约为基本结构输
出阻抗的gm4rds4倍。
❖ 共源共共源栅共结栅构的电主流要源缺点―是高损输失了出电阻压抗余恒度 。流一源般可采
用(W/L)3＞(W/L)1，(W/L)4＞(W/L)2进行补偿。 ❖ 为了保证VDS2＝VDS1=VGS1成立，根据萨氏方程，可得
到M1、M2、M3、M4的几何尺寸必须满足：
威尔逊电流源
❖ 根据交流小信号等效电路，可求出电路的输出阻抗。忽 略Mr 3o 的衬rd3 偏s效rd3 应s g ，m g 1g m 则2 m 3 有rd 1 1 /：s rdg 2s m 3 gm 2 1 1 /rd2s 进一ro步可g1 m 推2导r出d3：s[1g gm m 2 3(1gm 1rd1s)]
恒流源电路
基本电流镜结构
❖ 电流复制的基本原理
IR
Io
相同的工艺参数制作的两个
相同的MOS器件具有相同 M1
M2
的栅源电压，并且都工作在
饱和区则其漏极电流完全相
等，即实现了所谓的电流复制 。
❖ 但由于存在沟道调制效应时，其漏源电压
VDS若不相等，则其电流也不会相同。
❖ 在考虑沟道基调本制效电应流时镜有结：构 Io ((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2SS))IR