第七章 MOS管模拟集成电路设计基础

图7.3.1 NMOS基本电流镜
2) NMOS威尔逊电流镜
NMOS基本电流镜因为沟道长度调制效应的作用，交 流输出电阻变小。从电路理论可知，采用电流串联负反馈也 可以提高电路的输出电阻。
威尔逊电流Leabharlann Baidu正是
这样的结构。
NMOS威尔逊电流
镜的电路如右图所示。
提高输出电阻的基本
原理是在M1的源极接 有M2而形成的电流 串联负反馈。
右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
电路 。
图6-3-15
2、电压偏置电路
前面虽然尚未介绍电压偏置电路，但实际上在上一段已 经用到了电压偏置，例如，电流镜中VGS1和有源负载的偏置电 压VB。在这一部分将重点介绍各种电压偏置电路的设计。
在模拟集成电路中的电压偏置分为两种类型：通用电压偏 置电路和基准电压电路。通用电压偏置电路用于对电路中一些 精度要求较低的电路节点施以电压控制；基准电压电路则是作 为电压参考点对电路的某些节点施以控制。
图6-3-10 PMOS电流镜
4) 参考支路电流Ir 形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对
电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。 (1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
(2)有源负载的参考支路 图6-3-12
图6-3-13
(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
要使VGS不发生变化，对于栅漏短接的MOS管必须 满足两个条件：一是VGS不能被直接作用，二是MOS晶 体管的电流不能发生变化。
利用稳压管的输出特性同样可以得到稳定的输出 电压。稳压管的符号和伏-安特性如下图所示。
图6-3-16
在MOS模拟集成电路中的稳压管可以采用pn+结 构 和 p+n+ 结 构 制 作 ， 其 中 ， pn+ 结 构 的 稳 压 值 VZ 在 6.5~7.5V，p+n+结构的稳压值VZ在4.5V左右。从稳 压管的输出特性曲线可以看出，当电流在一定的范 围内波动时，它的输出电压变化很小。从这一点我 们又得到了一个器件的电阻特性：稳压管具有直流 电阻大于交流电阻的特性。当然，当稳压管正向运 用的时候，它就是一个普通的二极管，它的正向特 性也表现为直流电阻大于交流电阻。
在这个结构中，如果M1利M2的宽长比相同(其他的器件 参数也相同)，因为在其中流过的电流相同，则它们的VGS必 然 相 同 ， 使 M3 的 VGS3=2VGS2 ， 而 M2 的 VDS2=VGS2 。 M1 、 M2的这种VDS上的差异也将导致参考电流与输出电流的误差， 这时的参考电流将大于输出电流。如果M1的宽长比大于M2的 宽长比，根据萨氏方程，在相同的电流条件下，导电因子K 大则所需的VGS就比较小。VGS1的减小使得M3的VDS3减小， 缩小了M2和M1的VDS差别，可以使误差减小。但即使M1的宽 长比再大，也不可能使VDS3=VDS2，所以，若要消除误差必 须 在 M3 的 漏 极 上 串 接 一 个 电 阻 消 耗 掉 多 余 的 电 压 ， 使 VDS3=VDS2。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流 串联负反馈。M3的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某 种原因使输出电流Io增加，这个增加了的电流同时也将导致 M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而使电流 减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用 阻止电流变小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io 趋于恒流，提高了交流输出电阻。
参考电流就是一个恒流 (如右图所示) 那么，
整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。
图6-3-14
右图给出了
一种自给基准电
流的结构形式。M1、 M2、M3组成了一个 两输出支路的
NMOS电流镜，M4、 M5和M6组成了两输 出 支 路 的 PMOS 电
流 镜 。 M7 、 M8 和 R 所构成的“启动”
（1） 通用电压源
通用电压源是一些简单的电路，它按电路要求产 生直流电压，并控制相关器件的工作状态，一般没有 特殊要求。
最简单的电压源是分压电路，它的输出既可以是 单点的，也可以是多点的。在电子线路中常采用电阻 分压电路作为电压偏置的发生电路，在模拟集成电路 中则常采用有源电阻作为分压电路的基本单元。图63-15给出了全NMOS的分压器电路图(a)和CMOS的分压 器电路图(b)。
利用稳压管构造电压偏置电路的基本结构非常简单，下 图给出了电阻和稳压管串联的电路结构和采用有源负载结构 的电路形式。
图6-3-9
NMOS电流镜所能提供的电流偏置通常情况下是灌电流， 即电流是流入漏极的情况。如果需要的是拉电流，则可采用 PMOS电流镜。 3) PMOS电流镜
PMOS电流镜的结构与工作原理与NMOS结构相同。下图给出 了PMOS的基本电流镜(a) 、威尔逊电流镜(b)和改进型的威尔 逊电流镜(c) 。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器 结构，它的分压原理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用 上式计算。
图6-3-15
上面简单的分压电路有一个共同的缺点，那就是 它们的输出电压值随着电源电压的变化将发生变化。 究其原因是因为电漏电压的波动直接转变为MOS晶体 管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被某个器 件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响 就可以使输出电压不受电源电压波动的影响。
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。