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1、西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,模拟集成电路原理第5章 无源与有源电流镜,董刚微电子学院,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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,明确几个概念,电流源Current source电流沉Current sink电流镜Current Mirror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,西电微电子学
2、院董刚模拟集成电路设计,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,电流源,AIC中经常需要电流源对电流源的期望电流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？,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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100mVn、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
3、VTH改变50mV，则IOUT改变44,评价：电流值无法精确、稳定，很难实用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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）基于IREF，“复制”产生所需各电流常用复制方法是先把IREF转换为电压，在由该电压转换为电流,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,基本电流镜等量复制,Iout也可以不等于IREF,忽略了的影响（会影响复制精度）,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,基本电流镜比例复制,设计者通过合理设计M1和M2管的
4、尺寸比，即可获得期望的电流,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、n、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,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,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,单级共源放大器,M1管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1,若要求Av=-10，当VOV1=200mV、VTH=0.7V时，VSG2=1.2V。若VD
5、D=3.3V，则Vout不能大于2.1V,提高输出摆幅,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,电流镜中晶体管的L通常设计为相同,为什么取L1=L2？,横向扩散和场氧化层侵蚀会使LeffLdrawn、WeffWdrawn,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,电流镜中晶体管的L通常设计为相同,当L1=L2时,当L1L2时,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,电流镜中晶体管的W的取值方法,当W1=W2时,当W1W2时,取Wdrawn1=mWcell，Wdrawn2=nWcell，m、n为整数,电流复制精度取决于W之间的比值,通过多个单元晶体管并联实现M1和
6、M2,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,电流镜中晶体管的W的取值方法,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,基本电流镜的不足,电流复制误差较大，受影响,沟道长度小时，误差会很大,第二项由工艺决定,通常VDS2都不等于VDS1，导致误差,解决方法：采用共源共栅结构，提高输出电阻,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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,原理,合理设计Vb的值，使VY=VX，则Iout可以非常接近IREF，并且Iout对VP变化不敏感,因为共源共栅级能屏蔽VP对VY的影响,代价：牺牲
7、了输出电压摆幅,没有M3管时：,有M3管时：,如何产生Vb？,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,共源共栅级的屏蔽特性,Vout端有Vout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Vb产生方法,使VY=VX,对Vb有什么要求？,只要VGS0=VGS3，即可VX=VY,只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Vb产生方法（续）,只要VGS0=VGS3，即可VX=VY,只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1,有体效应时亦成立,西电微电子学院董刚模拟集成电路设
8、计,大信号特性,M2管开始退出饱和区，输出电阻开始大幅度下降,M3管开始退出饱和区,考察Vx逐渐下降的过程,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,输出摆幅问题,优点提高了输出电阻，从而提高了电流复制精度高缺点降低了输出摆幅,如何提高输出摆幅？,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,提高输出摆幅,提高方法降低Vb的值原理,要保证M1和M2都工作在饱和区，需要Vb满足：,输出电压的最小值：,Vb取最小允许值时，Vout,min最小，输出摆幅此时最大,Vb的最小值为：,在提高摆幅的同时，仍有VA=VB，仍可保证高精度复制电流,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,Vb的产生方法,对Vb的要求：,合理设计I
9、1、(W/L)5和Rb的值，可以得到期望的Vb,min,实际设计时要留出一定余量，以确保M1、M2能可靠地工作在饱和区,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,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,有源电流镜,电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,有源电流镜做负载的差分放大器,重要作用：将差分输入转换成单端输出,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,大信号特性,完全对称时：,很少在开环下用来放大信号，Vout很难由设计者设定,西电微电子学院董刚模拟集成电路
10、设计,小信号特性差分增益,不能用半电路法分析该电路,因为P点不能当做交流地,从Vin到VX和VY的增益差别很大，VX和VY的摆幅差别很大，使得VX和VY对VP的作用不能互相抵消,求差分增益Av？,方法一：,求出等效跨导Gm和输出电阻Rout即得到Av,方法二：,用戴文宁定理等效输入信号后计算,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方法一Gm的计算,求Gm：将输出端接地，计算iout/vin即可,在输出端接地情形时，P点可看作交流地,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方法一Rout的计算,为什么RXY等于2rO1,2?,画出小信号等效电路，仔细推导一下即可,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方
11、法一差分增益,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方法二戴文宁等效,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方法二戴文宁等效,如何求Veq和Req?,画出小信号等效电路，仔细推导一下即可,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,方法二戴文宁等效,画出小信号等效电路，推导得：,与方法一结果同,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,小信号特性共模增益,定义单端输出的差分放大器的共模增益为：,由于电路对称，对于任何Vin,CM，均有VF=VX,所以，在分析共模增益时可将VF与VX短接,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,小信号特性共模增益,带源极负反馈的放大级,即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变
12、化；高频时RSS减小，更严重影响差分放大器性能,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,小信号特性CMRR,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,小信号特性存在失配时的共模增益,M1和M2因失配导致跨导不一样,计算思路：由vin,CM求出vP；再计算iD1和iD2；由iD1求出iD4；iD2和iD4之差乘以输出阻抗，即为vout,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,总结,对电流源的要求可调、精确、稳定基于IREF用电流镜的得到所需电流基本电流镜合理设计尺寸比可获得期望电流沟道长度调制效应引起精度降低共源共栅电流镜提高了输出电阻，实现了高精度牺牲了输出电压摆幅,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,总结,电流镜做负载的差分放大器将差分输入转换为单端输出差分增益共模增益会影响差分放大器性能；高频时、存在失配时更严重,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,作业,5.3，5.6，5.8应用本章内容,
