无源和有源电流镜课件.ppt

1 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 2 本讲 电流镜 q基本电流镜 q共源共栅电流镜 q有源电流镜 v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 3 明确几个概念 q电流源 vCurrent source q电流沉 vCurrent sink q电流镜 vCurrent Mirror q无源电流镜 vPassive Current Mirror v用做产生直流偏置电流时 q有源电流镜 vActive Current Mirror v象有源器件一样用作小信号处理时 q“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现 4 本讲 电流镜 q基本电流镜 q共源共栅电流镜 q有源电流镜 v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 5 电流源 qAIC中经常需要电 流源 q对电流源的期望 v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 v电阻、电容、噪声 等 q如何电路实现并可 设、精确、稳定？ 6 基于电阻分压的电流源 q电流值对工艺、电源、温度等变 化敏感 v不同芯片阈值偏差可达100mV v n 、VTH随温度变化 q输出电压范围 v大于M1管的VOV即可 q为了输出电压范围较大，VOV取 典型值200mV v若VTH改变50mV，则IOUT改变44 评价：电流值无法精 确、稳定，很难实用 7 基于基准电流的电流源原理 qIREF v基准电流 v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 v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） q基于IREF，“复制”产生所需各电流 v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 8 基本电流镜等量复制 镜面 基本电流镜 Iout也可以不等于IREF忽略了 的影响（会影响复制精度） 9 基本电流镜比例复制 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 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 10 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 11 高输出摆幅的差分放大器 见教材P104，图4.33 12 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VDD=3.3V，则 Vout不能大于2.1V 提高输出摆幅 13 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Leff Ldrawn、 Weff Wdrawn 14 电流镜中晶体管的L通常设计为相同 当L1=L2时当L1 L2时 结论： 取L1=L2，便于 获得期望的精确 电流值 15 电流镜中晶体管的W的取值方法 当W1=W2时当W1 W2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M2 16 电流镜中晶体管的W的取值方法 17 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 18 本讲 电流镜 q基本电流镜 q共源共栅电流镜 q有源电流镜 v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 19 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：牺牲了输出电压摆幅 没有M3管时： 有M3管时： 如何产生Vb？ 20 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 XX 21 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 22 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 23 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 24 输出摆幅问题 q优点 v提高了输出电阻 ，从而提高了电 流复制精度高 q缺点 v降低了输出摆幅 如何提高输 出摆幅？ 25 提高输出摆幅 q提高方法 v降低Vb的值 q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 26 Vb的产生方法 对Vb的要求： 合理设计I1、(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 27 本讲 电流镜 q基本电流镜 q共源共栅电流镜 q有源电流镜 v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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 方法一差分增益 35 方法二戴文宁等效 36 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 37 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 38 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 39 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化； 高频时RSS减小，更严重影响差分放大器性能 40 小信号特性CMRR 41 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 42 总结 q对电流源的要求 v可调、精确、稳定 v基于IREF用电流镜的得到所需电流 q基本电流镜 v合理设计尺寸比可获得期望电流 v沟道长度调制效应引起精度降低 q共源共栅电流镜 v提高了输出电阻，实现了高精度 v牺牲了输出电压摆幅 43 总结 q电流镜做负载的差分 放大器 v将差分输入转换为单端 输出 v差分增益 v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 44 作业 q5.3，5.6，5.8 v应用本章内容 。