第五章 电流镜

偏置点Vb的选择
合理选择M 5的尺寸和Rb的值使
注意：左图中的左半边电路是偏置 VGS 5 ≈ VGS 2 产生电路。其关键点在电阻上实现 V V R I V V = − ≈ − GS 6 b 1 GS 1 TH 1 DS 6 相当于一个阈值的压降。衬偏效应 ⇒ Vb = VGS 2 + VGS1 − VTH 1 和电阻的不准确都会导致电路精度 变差。
输入共模电平范围： VGS 1, 2 + VDS 5 ≤ Vin ,CM ≤ Vout + VTH 2
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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？)
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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。
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共源共栅电流源
∆VY ∆VP = rO 2 ( g m 3 + g mb 3 )rO 2 rO 3 + rO 2 + rO 3 ⇒ ∆VY ≈ ∆VP /[( g m 3 + g mb 3 )rO 3 ]
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体效应在两个管子上表现出相同的阈值变化。
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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） VX = VY ≈ 2 I REF /[ µ nCox (W / L)1 ] + VTH 1
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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
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Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Mar.2011 郑然 zhengran@nwpu.edu.cn
西北工业大学航空微电子中心 嵌入式系统集成教育部工程研究中心
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第五章
电流镜
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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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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
只要M5处于饱和区，M3和M4流过的电流就不变，那么其过驱动电压以及 VSG3,4就会保持常数，故曲线下降斜率为1。直到M5不再饱和，电流减小，斜 率也就会减小。
思考：Vout的下降如何使M5进入线性区？
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5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 低电压余度消耗的共源共栅电流镜 5.4 与差动对结合的电流镜

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回顾电流源的作用
电流源的作用 1、为单级放大器或者差分对 提供偏置电流，能够控制增 益、输出共模。
5.4 与差动对结合的电流镜
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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。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，我们也看中其高输出阻抗。
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 ≤
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µ nCox (VDD − 0.5 − VTH 0 − VTH 1 ) 2
假定所有器件阈值大致相当
这是两个过驱动电压和一个阈值电压的和。这种结构可以有效 的保证电流镜的复制精度，但电压余度消耗较大。那么观察(a) 中的电路，通过适当的设置Vb可以使M2,M3的漏源电压恰好等于 过驱动电压。这样一来可以使P点允许的最低电平达到两个过 驱动电压，但是无法保证M1M2的漏源电压相同，精度也会变差。
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5.2 共源共栅电流镜
前边的讨论忽略掉了沟道调制效应，完整电流复制表达式为：
I D 2 (W / L) 2 1 + λVDS 2 = I D1 (W / L)1 1 + λVDS1
根据上式，参考左图可知：
分析下面电路中各个管子的功能
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5.1 基本电流镜
为了保证电流复制的精确性，作为电流镜的对管一般采用相同 的栅长，以减小源漏区边缘扩散(LD)所产生的误差。
图中可以看到，当Ldrawn 加倍， Leff = Ldrawn − 2 LD并不会加倍。
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。
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5.2 共源共栅电流镜
为了解决上面两个可能影响精度的问题，电流 源采用共源共栅结构，适当的设置Vb可以使 Vx=VY，从而获得精确的复制电流。而且由于共 源共栅的高输出阻抗，VP的变化不容易影响到 VY(怎么解释？)，这样以来，外接电路对复制 精度的影响就会大大减小。 适当设置Vb保证 Vx和VY 近似相等，可以获得较好 的电流复制精度。但注意 引入的M3消耗了额外的 电压余度。
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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。
2、改变某一支路的电流。(应用 在“二极管连接器件”作负载的 共源级)
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回顾电流源的作用
3、直接作为负载，消耗有限的 电压余度的同时提供较高的输 出阻抗。 那么在实际的电路中如何获得电流源呢？ 使用工作在饱和区的MOS作为电流源。那么我们可以通过下面 的电路为NMOS的栅极提供一个合适的偏置，从而实现电流源。
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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
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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，我们考虑到下面的电路。 W 1 2
I OUT ≈ unCox 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，VTH 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。
2 ( ( L / W ) 0 + ( L / W )1 ) 2
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5.2 共源共栅电流镜
共源共栅电流镜精度和电压余度的折衷关系 (b)中所示电路中P点允许 的最低电位为
VN − VTH 2 = VGS 0 + VGS1 − VTH 2 = (VGS 0 − VTH ) + (VGS1 − VTH ) + VTH
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。
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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。
5.2 共源共栅电流镜
那么如何设置Vb呢？ 如左图(Vb的电位即N点电位)所示共源共栅 电流镜。如果(W/L)3/ (W/L)0= (W/L)2 / (W/L)1 可使VGS0=VGS3，进而使得VX=VY。 注意：即使M0和M3存在衬偏效应，也不影响 VX和VY近似相等的关系。为什么？
共源共栅电Baidu Nhomakorabea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。