5 第五章 无源与有源电流镜

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5.1 基本电流镜
1.基本概念
¾电流源、电流镜、有源电流镜
★电流源
电压源: Rout = 0 ,输出电压不受负载大小的影响.
理想电源
电流源: Rout = ∞ ,输出电流不受负载大小的影响.
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基本共源共栅电流镜摆幅损失的 原因
分析基本共源共栅电流镜输出 摆幅损失了一个阈值电压VT的 原因不难发现: 由于M3退出饱 和时VB基本不变, 故为使: VXmin=Von3+Von2 必须使M2在正常工作时VB≈Von2(1), 由于VA=VB, 也即VA≈Von2(1), 然而在基本共源共栅镜中 VA=VGS1=Von1+VT, 显然, 为减小基本共源共栅电 流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小。
VGS
=
R2 R1 + R2
VDD
该恒流源受到电源电压VDD波动的影响、工艺对( R1、R2
VTH、WL )等参数的影响、温度对( μn 、VTH )的影响,因此恒流
效果很差,只是在某些要求极低的地方使用.
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对于图(c),P点允许的最低电平:
因VX，VY等值的要求,
VY = VGS 2 ,所以:
（c）
VPmin =VGS3 +VGS2 −VTH3 = (VGS3 −VTH3) + (VGS2 −VTH2) +VTH2 = 2Vod +VTH
从以上分析可知,a、b、c三种电流镜电路,其镜像准确性、 恒流性能,从a到c一个比一个好,但消耗的电压余度一个比一个 大.故在设计中不能片面强调哪一个好,而是在多方面进行折中.
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3.电压余度(voltage headroom)
电压余度:Iout达到稳定时,外部电路所需提供的最小电压. 下面对三种电流镜结构消耗的电压余度进行比较:
(b)
（c）
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对于图(a), Y点允许的最低电平: VY min = VGS 2 − VTH 2 = Vod 2
事实上，VDS1通常是不变的，而VDS2与Iout连接的节点电压有 关，一般而言，这个节点的电压是随输入信号变化而变化的
，λ≠0时， Iout不可能是IREF的“精确”复制。
电流镜有何用途？
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对于图(b), P点允许的最低电平:
因 Vb = VGS3 + Vod 2 ,所以
VPmin = VGS 3 + Vod 2 − VTH 3 = Vod 2 + Vod 3 = 2Vod
(b)
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5.2 级联电流镜
1.基本电流镜存在的问题
考虑沟长调制效应,则
( ) ( ) Iout
=
1 2
μnCox⎜⎝⎛
W L
⎟⎞ ⎠2
VGS2
−VTHN
2
1+ λVDS2
( ) ( ) Iref
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★电流镜:对参考电流进行拷贝的电路,包括放大、缩小得到
的电流源.参考电流与电流源构成电流镜,如下图所示:
VDD Iref
Iout
M1
M2
M1称为copy电路,M1和M2构成电流镜.
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上述电路中需要设计一个电路结构为M3栅极提供偏置,级联的 电流镜可以完成这个工作.如下图:
Vb = VGS 0 + VGS1 = VGS 0 + VX
Vb = VGS3 + VDS 2 = VGS3 + VY
可以得到 VGS 0 + VX = VGS3 + VY
M0、M3选择合适的 宽长比使VGS0＝ VGS3，则VX=VY 。
VXmin = Von3 + VB(A)
M3退出饱和 = Von3 +(VGS1(2) - VT )+ VT
= Von3 + Von2 + VT
这比M2和M3同时 退出饱和时的：
VXmin = Von3 +Von2 大了一个开启电压
VT这在低St电rict源ly C电onfi压den运tial用- D中o N是ot D一istr个ibut很e – 大Cop的yrig电ht 2压010损失!
⎜⎛ W ⎟⎞ ⎜⎛ W ⎟⎞ 如果 ⎝ L ⎠3 = ⎝ L ⎠2 = k
⎜⎛ W ⎟⎞ ⎜⎛ W ⎟⎞ ⎝ L ⎠0 ⎝ L ⎠1
那么
VGS 0 = VGS 3
, VX
= VY
,
I out I ref
=k
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IOUT
≈
u n C ox 2
W( R2 L R2 + R1
VDD
− VTH )2
上式说明Iout受很多因素影响：电源、工艺(不同 晶片VTH可能会有±100mV的误差)、温度(μn， VTH都受温度的影响)。因此Iout很难确定。特别是 为使M1消耗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。
而 VDS 2 受外部电路的影
响,可在很大范围内变化.
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2.改进型电流镜(cascode电流镜)
为了获得VDS1＝VDS2 的电路结构,改进型电流镜利用cascode结构,
如下图: VDD
Iout = K ⋅ Iref
这类处理交流信号的电流镜称为有源电流镜.
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2.基本电流镜
M1、M2处于饱和区,若忽略沟 长调制效应,则可以得到:
I ref
=
1 2
μnCox
⎜⎛ ⎝
W L
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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 本共源共栅电流镜减小了一个阈值电压VT, 低 压共源共栅电流镜由此得名。
Chapter 5 无源和有源电流镜
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主要内容
基本电流镜 共源共栅电流镜 有源电流镜 以电流镜为负载的差动对的特性分析
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本章基本要求
1. 理解和掌握共源共栅电流镜为何比基本电流镜精 度更高的原因，精度的提高是靠消耗更多的电压 余度而获得的。
2. 理解和掌握低压共源共栅电流镜为何比普通共源 共栅电流镜输出摆幅更小的原因，会求实用低压 共源共栅电流镜中偏置电压Vb和R以及输出电压 摆幅。
3. 会求有源负载差分对的小信号增益，理解和掌握 有源负载差分对的不对称输出摆幅特性及其共模 响应。
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基本共源共栅电流镜的摆幅问
题
例5.4 画出VX 从一个大的正
电压下降时IX 和VB的草图。
M2退出饱和
当M3刚退出饱和时VDS3=Von3, 因M3退出饱和以前可以认为VB 基本不变(△VB ≈△VA/(gm3r03)) , 即VB = VA =VGS1(2), 故当M3刚退 出饱和时有:
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4.低电压工作cascode电流镜(headroom的改 进)
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Current Source and Current Sink(电流源与电流沉):
VDD
M3
M4
Iref
Iout1
Iout2
M1
M2
M5
Iout1:电流源(从VDD送出电流)
Iout2:电流沉(向VSS灌入电流)
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实际中最简单的电流源:
VDD
若VDD、R1 、R2 为定值,不计M1的沟
R1
Iout 道长度调制效应,且M1在饱和区时,
R2
M1
I out
=
1 2
μnCox
W L
(VGS
− VTH
)2
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?
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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。
★有源电流镜
如果上述电流镜中, Iref 不是固定的参考电流,而是随输入信 号变化的信号电流,则此电流镜是用于信号处理的,称为有源电 流镜.例如:
VDD M3
Iref
M1
Vin Iout M2
其中,M3为信号放大器件,产生的信号电流为:
Iref = g V m3 in
这个电流经过M1的复制,形成Iout
=
1 2
μnCox
⎜⎛ ⎝
W L
⎟⎞ ⎠1
VGS1 −VTHN
2
1+ λVDS1
VDD Iref
M1 ⎜⎛ W ⎟⎞ ⎝ L ⎠1
(a)
Iout
M2 ⎜⎛ W ⎟⎞ ⎝ L ⎠2
所以:
I out
=
⎜⎛ W ⎝L
⎟⎞ ⎠
2
(1
+
λVDS
2
)
I ref
⎜⎛ W ⎝L
⎟⎞ (1+ ⎠1
λVDS1 )
此处, VDS1 = VGS1 = VGS2
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？
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Vb Iref
X
M1 ⎜⎛ W ⎟⎞ ⎝ L ⎠1
(b)
A: 设置适当的Vb ,使得VY＝VX ,从而得 Iout 到精确的镜像. P
M3
B: 从P点看镜像电流源的输出电阻为
Y
Rout ≈ gm3ro3ro2
M2
⎜⎛ W ⎟⎞ ⎝ L ⎠2
那么: ΔVY ≈ ro2 = 1 ΔVP g r m3 o3ro2 g r m3 o3
⎟⎞ ⎠1
(VGS
−VTH )2
I out
=
1 2
μnCox
⎜⎛ ⎝
W L
⎟⎞ ⎠
2
(VGS
−VTH )2
VDD Iref
M1 ⎜⎛W ⎟⎞ ⎝ L ⎠1
Iout
M2 ⎜⎛W ⎟⎞ ⎝ L ⎠2
⎜⎛ W ⎟⎞
⇒
I out
=
⎝L ⎜⎛ W
⎠2 ⎟⎞
I ref
⎝ L ⎠1
该电路的特点:可以精确复制 电流,不受工艺和温度的影响.
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基准电流的简单“复制”
基本电流镜中，若不 考虑沟道调制效应：
IREF
=
μn C 2
OX
(
W L
)1( VG S
-
VTN )2
Iout
=
μn C 2
OX
(
W L
)2(
VGS
-
VTN )2
基本电流镜
Iout
= (W/L)2 ( W / L )1
IREF
该式表明Iout是IREF的复制且不受 电源电压、温度和工艺的影响。
因此, ΔVY << ΔVP , M3器件对Y点起到隔离 和保护作用.
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复制! 即使VP变化, 因ΔVY=
ΔVP /(gm3r03), 故VX≈VY , Iout≈ IREF。注意, 这是靠牺牲电压余度
来获得的精度! Strictly Confidential - Do Not Distribute – Copyright 2010