CMOS模拟集成电路设计—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
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第五章
电流镜
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
2
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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
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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
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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
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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模拟集成电路设总复习
I VT ln(n) R1
Vout
mR2 R1
VT
ln(n) VEB3
Vout 2 ln(n) k VEB3 2m ln(n) 8.67 102 2.2 0
T
q T
只要满足右式的所有m，n均可 mln(n) 12.7
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
0.7
0.91V
M1饱和：VDS1 VGS1 VT
Vb VGS2 VGS1 VT
Vb VGS1 VGS2 VT
2I REF
K ' (W / L)2
2I REF K '(W / L)1
VT
2 0.1103
2 0.1103
110106 40 0.7 110106 40
1.11V
例题
L
COX
OX
tOX
K': 跨导参数
K ' COX 0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）：
iD
K'
W 2L
(vGS
VT
)2
线性区电流（以NMOS为例）：
iD
K'W L
[(vGS
VT
)
( vDS 2
)]vDS
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
小信号模型
MOS管的小信号模型
输出电阻
VSG3 VDD VICmax VTN 2.5 2 0.7 1.2
VSG3
K 'P
2ID (W /
L)3
| VTP
| 1.2
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
• 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！
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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
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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
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I ss
15
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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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17
.
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。
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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
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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
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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-实验报告
cmos模拟集成电路设计-实验报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：北京邮电大学实验报告实验题目：cmos模拟集成电路实验姓名：何明枢班级：2013211207班内序号：19学号：2013211007指导老师：韩可日期：2016 年 1 月16 日星期六目录实验一:共源级放大器性能分析 (1)一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验结果 (1)四、实验结果分析 (3)实验二:差分放大器设计 (4)一、实验目的 (4)二、实验要求 (4)三、实验原理 (4)四、实验结果 (5)五、思考题 (6)实验三：电流源负载差分放大器设计 (7)一、实验目的 (7)二、实验内容 (7)三、差分放大器的设计方法 (7)四、实验原理 (7)五、实验结果 (9)六、实验分析 (10)实验五：共源共栅电流镜设计 (11)一、实验目的 (11)二、实验题目及要求 (11)三、实验内容 (11)四、实验原理 (11)五、实验结果 (15)六、电路工作状态分析 (15)实验六：两级运算放大器设计 (17)一、实验目的 (17)二、实验要求 (17)三、实验内容 (17)四、实验原理 (22)五、实验结果 (23)六、思考题 (24)七、实验结果分析 (25)实验总结与体会 (26)一、实验中遇到的的问题 (26)二、实验体会 (26)三、对课程的一些建议 (27)实验一:共源级放大器性能分析一、实验目的1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真；3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线；4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响二、实验内容1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。
模拟cmos集成电路设计
模拟CMOS集成电路设计1. 引言模拟CMOS集成电路设计是现代集成电路设计的重要领域之一。
随着电子技术的不断发展和进步，集成电路在各个领域都有着广泛的应用，尤其是模拟领域。
模拟CMOS集成电路设计是一门综合性学科，需要掌握深厚的电路理论知识和数理基础。
本文将介绍模拟CMOS集成电路设计的基本原理、常用工具和设计流程。
2. 模拟CMOS集成电路基本原理模拟CMOS集成电路是由大量的MOS晶体管和电阻电容等元件组成的电路。
它能够处理连续变化的电压信号，具有很高的放大和处理能力。
模拟CMOS集成电路设计的基本原理包括以下几个方面：2.1 MOSFET的基本原理模拟CMOS集成电路主要采用NMOS和PMOS两种类型的MOSFET。
NMOS晶体管工作在负电压下，电子流的导通；PMOS晶体管工作在正电压下，空穴流的导通。
MOSFET的基本原理和参数是设计模拟CMOS电路的基础。
2.2 CMOS反相放大器CMOS反相放大器是模拟CMOS电路的基本模块。
它能够将输入电压放大并反向输出。
通过设计合适的电路结构和参数，可以实现不同的放大倍数和频率响应。
2.3 模拟CMOS电路的环路增益模拟CMOS电路的环路增益是指电路反馈回路的增益。
环路增益对电路的稳定性和性能有重要影响。
通过选择合适的电路结构和控制参数，可以提高电路的稳定性和性能。
3. 模拟CMOS集成电路设计工具3.1 SPICE仿真工具SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种广泛使用的电路仿真工具。
它能够模拟和分析模拟CMOS电路的性能，帮助设计师进行电路参数优化和性能评估。
3.2 Cadence工具套件Cadence是一套综合性的集成电路设计工具套件。
它包括了原理图设计、布局设计、电路仿真和物理验证等模块，可以实现从概念到最终产品的全流程设计。
3.3 ADS高频仿真工具ADS（Advanced Design System）是一种专业的高频电路仿真工具。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
23
I/V特性—PMOS管
定义从D流 向S为正
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s
US Patent：5998777 V-I转换电路
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33
沟道长度调制效应
L
L’
L' L L
1/ L' 1 (1 L / L) L
假设： L / L与VDS是线性关系
1/ L' 1 (1 VDS), VDS L / L 短沟道MOS管时该近似
10
MOS管的符号
？ 电流方向
四端器件
省掉B端
数字电路用
AIC设计中一般 应采用该符号？
在Cadence
analogLib库
中，当B、S端短接时
需明确体端连接
只需区别 开MOS管 类型即可
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11
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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12
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面
势使电子从源
流向沟道区
VTH定义为表面 电子浓度等于衬 底多子浓度时的
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
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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
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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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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
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《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。
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
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。
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜 Copyright 2011, 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。
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
12
5.2 共源共栅电流镜
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
12
5.2 共源共栅电流镜
模拟CMOS集成电路设计精粹ppt 第二章
只要L和C串联损耗阻抗为0，L和C就不产生noise，在无源器件中，只有电阻产生额外的noise。电路 中加入了L就会使得gm和输出电阻都与f有关。如果不含串联的R or L，输入阻抗ZinL是容性的，现在 则变成了纯阻性的，其值为gmLS/CGS,或LSω T，原因是输入CGS被电感抵消了。这样输入电阻可以很容 易地被设计成50 ，从而与50传输线（同轴电缆，天线等）相匹配。这种方法可设计出一个超高f低 noise放大器。
采用两种相同的电流偏置，但右边电路（2）中M2和M1并联，哪一种更好呢？（2）放大器中，输出电 阻较大，∴增益相对较高，相应的带宽窄一些。可用另一个晶体管构成电流源，这个晶体管是PMOST 器件，它的栅极与参考电压相连，产生直流偏置电流。还存在下面两种电路形式。
第一种放大器有一个恒定的直流偏置电流，∵作为电流源的M2的栅极与一个直流参考电压相连。低f 情况下，负载CL不起作用， 此时，M1和M2的直流电流不随信号电平而变化。被定义为A类放大器。第 二种，连接并同时驱动两个管的栅极，结果完全不同。根据所输入信号电平的不同，流过两个管的电 流变化非常大。这就是AB类放大器。实际上，在数字输入信号和模拟输入信号中都有可能采用第二种 放大器。
实现这样一种串联反馈电阻的一个简单方法是采用一个nMOST管，让其工作在线性区。但只有当VDS2很 小，在100mV～200mV之间才有可能。两个晶体管的VGS也不同。 MOST M1工作在饱和区，包含一个参数 K‘，而M2是作为一个电阻使用，包含参数KP，它们的参数n不同，n本身也是一个不确定的值
在增益表达式中，保留输出电阻，能较好地理解同样的输出电阻是怎样来决定输出极点或者带宽的。 在计算GBW时，这个输出电阻被消去，这和单管情况一样。但GBW变成了2倍，∵单管的跨导增大了2倍， ∴这是电流复用的一个简单例子。GBW是最重要的技术指标，它表明在任意f下，可以获得多大的电压 增益。它通过gm取决于电流。
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2020/2/22
20
M1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，
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3,
• 电路增益：
1
2020/2/22
I ss
15
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,
9
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。
CMOS模拟集成电路设计
电流镜
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源自2020/2/222
电流镜
Review：MOS电流源
• 处于饱和区的MOS管可以作为一种电流源
I out
ID
1 2
nCox
W L
(VGS
Vth )2 (1 VDS )
2020/2/22
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M2有衬偏效应， 而M5没有，仍会产生误差。
2020/2–/22因此，设计中给出余量。
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rO3>>1/gm3
2020/2/22
比无器件失配时多此项
19
电流镜
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
– 当Vin1=Vin2时，电路的输出电压 Vout=VF=VDD-|VGS3|
2020/2/22
13
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
2020/2/22
14
电流镜作负载的差动对
• 计算Rout
11
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， 产生一个高增益区。
忽略沟道长度调制效应！
2020/2/22
5
基本电流镜
• 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
3
基本电流镜
1、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）。
2020/2/22
4
基本电流镜
• 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。
– 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＝VDD
2020/2/22
12
电流镜作负载的差动对
– 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。
2020/2/22
10
共源共栅电流镜
– 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。
IREF IOUT
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
2020/2/22
6
共源共栅电流镜
2、共源共栅电流镜
• 沟道长度调制效应使得电流镜像产生极大误差，
因此
2020/2/22
7
共源共栅电流镜
• 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。
2020/2/22
8
共源共栅电流镜
– 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
2020/2/22
最小余度损耗的共源共栅电流源
则，
2020/2/22
17
电流镜作负载的差动对
– 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，
2020/2/22
对源跟P点随的器影结响构等效为18
电流镜作负载的差动对
ΔID1乘上M3的输出电阻得到vgs3， vgs3=vgs4，可以得到ID4的变化量为
Vgs3＝Vgs4