恒流源电路知识讲义

r o r d3s r d3s g m g 1 g m 2 m 3 r d 1 1 /s r dg 2 s m 3 g m 2 1 1 /rd2 s
进一步可推导出： rog1 m 2rd3s[1g gm m 2 3(1gm 1rd1s)] 假定gm1=gm2=gm3，且gm1rds1>>1，则上式 可简化为：
低压共源共栅结构—常数Vb的偏置
主要结构是一个输出与输入短路的共源共栅结构。
由图可以看出，三极管M3处于饱和区的条件为：
VDD
V b V t3 hV X(V G1)S
IR
而三极管M1饱和的条件为：
X
Io
V G 1 S V t1 h V b V G 3 ( S V A )
Vb
M3
M4
即：
宽长比相关，从而得到具有很好的恒流特性的电流 源。
基本电流镜结构
因为沟道调制效应在小特征尺寸的CMOS 工艺中是不能消除的，因此通常是采用第二 种方法来改善电流源的恒流特性，由此而设 计出了多种恒流源电路结构。
另外，有时还由于存在不同的体效应，使各 自的阈值电压Vth不相等，因而其电流也会 产生偏差，这也可以通过电路的合理设计以 消除它对电流镜的影响。
该结构的输出阻抗为： r o r d 2 s r d 4 s r d 2 r d s 4 ( 1 s 4 ) g m 4
由上式可以发现，其输出阻抗很大，大约为基本结 构输出阻抗的gm4rds4倍。
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
共源共栅结构的主要缺点是损失了电压余度 。一般可
采用(W/L)3＞(W/L)1，(W/L)4＞(W/L)2进行补
Io((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2S S ))IR
从上式可以看出：假如已有IR，只要改变 M1与M2的宽长比，就可设计出Io，它即可 以与IR相等，也可与IR成一比例关系，所以 也称为比例电流镜，这种技术在模拟集成电 路中有着广泛的应用，比如作为放大器的负 载。
但是由于存在沟道调制效应，且VDS2是一 变量，因此Io实际上不是一个恒流源。
IR
Vb
M3
IR
D
M4
+
IRELeabharlann IoM4D
M3
A
B
A
VGS4+VA
A
B
-
M1
M2
M1
M1
M2
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
适当选择M3与M4的尺寸，就可实现VGS3＝VGS4，
且有：VGS4+VA=VGS3+VB，因此，若 (W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1，且 VGS3=VGS4时可得到VA=VB，即使M4与M3存在 衬偏效应这个结果也成立。
rord3sgm 1rd1s
威尔逊电流源
与基本电流镜结构相比，威尔逊电流源具有
更大的输出阻抗，所以其恒流特性得到了很
大的提高，且只采用了三个MOS管，结构
简单，并可应用在亚阈值区。 VDD
但是图4中M3与M2的漏源
IR
Io
电压仍不相同，因此提出 M4
M3
了一种改进型的威尔逊电
流源，如图所示。
M1
基本电流镜结构
如何改善Io的恒流特性以实现真正意义上的电流源， 可以看到原则上有两种方法：
1、减小以至消除M2的沟道调制效应（因为VDS1＝
VGS1为定值，故M1不影响Io的恒流特性），即通 过增大M2的沟道长度，以减小λ，增大输出阻抗， 从而改善恒流特性。
2、设定VDS2＝VDS1，则可知Io与IR只与M1、M2的
A
B
V G 3 ( S V G 1 V S t1 h ) V b V G 1 V S t3 h
该式成立的条件是：
M1
M2
V G 3 ( S V G 1 V S t1 ) h V G 1 V S t3 h
偿。
为了保证VDS2＝VDS1=VGS1成立，根据萨氏方程，可
得到M1、M2、M3、M4的几何尺寸必须满足： (W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1，一般取L1
＝L2＝L3＝L4，则VGS3＝VGS4，VGS2＝VGS1。
总之，该结构的电流仍与基本结构的相同，即仍取决于 底层的电流镜（M1与M2）。
Io IR
((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2S S))
由于VDS2＝VGS2，VDS1=VGS2＋VGS3，即
VDS1≠VDS2，所以在这种电流源中，Io/IR的值不
仅与M1、M2的几何尺寸相关，还取决于VGS2与
VGS3的值。
威尔逊电流源
根据交流小信号等效电路，可求出电路的输出阻抗。 忽略M3的衬偏效应，则有：
恒流源电路
基本电流镜结构
电流复制的基本原理
相同的工艺参数制作的两个
IR
Io
相同的MOS器件具有相同
的栅源电压，并且都工作在 M1
M2
饱和区则其漏极电流完全相
等，即实现了所谓的电流复制 。
但由于存在沟道调制效应时，其漏源电压
VDS若不相等，则其电流也不会相同。
基本电流镜结构
在考虑沟道调制效应时有：
M2
威尔逊电流源
上图中引入了二极管连接的MOS管M4。 根据饱和萨氏方程，Io/IR的表达式与上式相同，且有：VDS1
＝VGS2＋VGS3－VGS4。设定VGS3＝VGS4，则有VDS1＝
VGS2= VDS2，则有： Io (W L)2 IR (W L)1
上式表明，该结构很好消除了沟道调制效应，是一精确的比例 电流源。而且只需四个MOS管就可实现，因此有较广泛的应 用。这种结构也可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。
而要达到VGS4=VGS3，根据饱和萨氏方程可以得到其条件为：
(W/L)3 (W/L)2 (W/L)4 (W/L)1
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
共源共栅电流源是采用共源共栅结构来促使
VDS2＝VDS1，从而改善恒流特性的一种行
之有效的电路结构，其电路结构如图所示。
VDD
VDD
E VDD
Io
威尔逊电流源
该电流源的基本原理是利用负反馈来提高电 流源的输出阻抗以使电流源具有良好的恒流 特性。
VDD
IR
Io
+ IV
-
M3
gm3Vgs3
rds3
Vgs3 -
M1
M2
g m1Vgs1
rds1 Vgs2 Vgs1
gm2Vgs2
rds2
-
威尔逊电流源
上图中，由于VDS1=VGS3+VGS2，而VGS1=VGS2， 所以：VDS1>VGS1，因此M1一定工作在饱和区， 所以根据饱和萨氏方程可得：