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
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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
14 14
电流镜中晶体管的W的取值方法
W W eff 2
drawn 2
取WWdradwrna2w=nn1=×mW×cWell，cell，I
m、n为整数
out
=Weff 2 Weff 1
I
REF
=Wdrawn 2 Wdrawn1
DW I REF DW
通过多个单元晶体管 = m(Wcell DW )I REF = m I REF
并联实现M1和M2
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
DW
13 13
电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out = (Weff / Leff ) 2 I REF= Weff 2 Leff 1 I REF
(Weff / Leff )1
W L eff 1 eff 2
当L1=L2时
当L1 2时
Leff 1 = Ldrawn1
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
44
值能由设计者 方便地设定在某一 期望值，并且电流 值的偏差能被控制 在一定范围内
电流值往往会随工 艺、电源、温度等 变化而变化
电阻、电容、噪声 等
如何电路实现并可 设、精确、稳定？
VGS = f (1 I REF )
忽略了λ的影响（会影响复制精度） Iout也可以不等于IREF
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88
基本电流镜－比例复制
I REF
=
n C ox(
W )1 (VGS
VTH ) 2
2L
I out
=
n C ox(
W ) 2 (VGS
VTH )2
2L
设计者通过合理设计 M1和M2管的尺寸比， 即可获得期望的电流
gm =
2 n C ox
W L
ID
Av=
g m1 = g m2
4 n (W / L ) 1 p (W / L ) 2
W
W
n ( )1 (VGS 1 VTH 1 ) 2 4 p ( ) 2 (VGS 2 VTH 2 ) 2
L
L
| VGS2
VTH2 |
n (W / L)1
若要求Av=-10，当
I out = (W / L ) 2 I REF (W / L )1
若IREF精准、稳定，合理设计M1管和M2管的尺寸和位
置，使它们的VTH、μn、COX等工艺参数匹配度高、W/L
比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout
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99
基本电流镜在差分放大器中的应用
高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负 载的差分放大器
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
10 10
高输出摆幅的差分放大器
见教材P104，图4.33
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
11 11
单级共源放大器
提高输出摆幅
M1管偏置在饱和区，漏电流为I1， IS=0.75I1
I D2
=
I D1 4
无源电流镜
Passive Current Mirror 用做产生直流偏置电流时
有源电流镜
Active Current Mirror 象有源器件一样用作小信号处理时
“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现
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33
本讲 电流镜
基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
Av VOV1=200mV、VTH=0.7V时，
(VGS1 VTH1) 4 p (W / L)2
4 VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则
Vout不能大于2.1V
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
1212
电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out =
(W / L ) 2I REF (W / L )1
I
out
=
Weff 2 Weff 1
Leff 1 Leff 2
I
REF
=Weff 2 Weff 1
I
REF于电W流之复间制的精比度值取决
当W1=W2时
当W1 2时
Weff 1 = Wdrawn 1
W W eff 2
drawn 2
DW =Wdrawn 1 DW Wdrawn 2
Weff 1 Wdrawn 1
2 L R2 + R1
VTH ) 2确评、价稳：定电，流很值难无实法用精
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66
基于基准电流的电流源－原理
IREF
基准电流 由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第11 章），是一个重要、活跃的研究领域 基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺 偏差、温度变化等不敏感）
为什么取 L1=L2？
Iout = (Weff / Leff )2 IREF =Weff 2 Leff 1 IREF
(Weff / Leff )1
W L eff 1 eff 2
横向扩散和场 氧化层侵蚀会
使Leff drawn、 Weff drawn
L eff = L drawn DL Weff = Wdrawn
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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14 14
电流镜中晶体管的W的取值方法
W W eff 2
drawn 2
取WWdradwrna2w=nn1=×mW×cWell，cell，I
m、n为整数
out
=Weff 2 Weff 1
I
REF
=Wdrawn 2 Wdrawn1
DW I REF DW
通过多个单元晶体管 = m(Wcell DW )I REF = m I REF
并联实现M1和M2
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DW
13 13
电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out = (Weff / Leff ) 2 I REF= Weff 2 Leff 1 I REF
(Weff / Leff )1
W L eff 1 eff 2
当L1=L2时
当L1 2时
Leff 1 = Ldrawn1
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
44
值能由设计者 方便地设定在某一 期望值，并且电流 值的偏差能被控制 在一定范围内
电流值往往会随工 艺、电源、温度等 变化而变化
电阻、电容、噪声 等
如何电路实现并可 设、精确、稳定？
VGS = f (1 I REF )
忽略了λ的影响（会影响复制精度） Iout也可以不等于IREF
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88
基本电流镜－比例复制
I REF
=
n C ox(
W )1 (VGS
VTH ) 2
2L
I out
=
n C ox(
W ) 2 (VGS
VTH )2
2L
设计者通过合理设计 M1和M2管的尺寸比， 即可获得期望的电流
gm =
2 n C ox
W L
ID
Av=
g m1 = g m2
4 n (W / L ) 1 p (W / L ) 2
W
W
n ( )1 (VGS 1 VTH 1 ) 2 4 p ( ) 2 (VGS 2 VTH 2 ) 2
L
L
| VGS2
VTH2 |
n (W / L)1
若要求Av=-10，当
I out = (W / L ) 2 I REF (W / L )1
若IREF精准、稳定，合理设计M1管和M2管的尺寸和位
置，使它们的VTH、μn、COX等工艺参数匹配度高、W/L
比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
99
基本电流镜在差分放大器中的应用
高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负 载的差分放大器
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
10 10
高输出摆幅的差分放大器
见教材P104，图4.33
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
11 11
单级共源放大器
提高输出摆幅
M1管偏置在饱和区，漏电流为I1， IS=0.75I1
I D2
=
I D1 4
无源电流镜
Passive Current Mirror 用做产生直流偏置电流时
有源电流镜
Active Current Mirror 象有源器件一样用作小信号处理时
“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现
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33
本讲 电流镜
基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
Av VOV1=200mV、VTH=0.7V时，
(VGS1 VTH1) 4 p (W / L)2
4 VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则
Vout不能大于2.1V
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1212
电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out =
(W / L ) 2I REF (W / L )1
I
out
=
Weff 2 Weff 1
Leff 1 Leff 2
I
REF
=Weff 2 Weff 1
I
REF于电W流之复间制的精比度值取决
当W1=W2时
当W1 2时
Weff 1 = Wdrawn 1
W W eff 2
drawn 2
DW =Wdrawn 1 DW Wdrawn 2
Weff 1 Wdrawn 1
2 L R2 + R1
VTH ) 2确评、价稳：定电，流很值难无实法用精
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66
基于基准电流的电流源－原理
IREF
基准电流 由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第11 章），是一个重要、活跃的研究领域 基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺 偏差、温度变化等不敏感）
为什么取 L1=L2？
Iout = (Weff / Leff )2 IREF =Weff 2 Leff 1 IREF
(Weff / Leff )1
W L eff 1 eff 2
横向扩散和场 氧化层侵蚀会
使Leff drawn、 Weff drawn
L eff = L drawn DL Weff = Wdrawn