第章恒流源电路

从上式可以看出：
若已有IR，只要改变M1与M2的宽长比，就可设计出Io， 该结构即为比例电流镜，
这种技术有着广泛的应用，如: 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。
基本电流镜结构
改善Io的恒流特性以实现真正意义上的电 流源，原则上有两种方法：
+ IV
-
Vgs3 -
gm3Vgs3
rds3
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：
IIR o ((W WL L))1 2((11 V VD DS 1 S 2))
即： V G 3 S ( V G 1 S V t1 h ) V b V G 1 S V t3 h 上式成立的条件是：
V G 3 S ( V G 1 S V t1 h ) V G 1 S V t3 h
即：VG3SVth3Vth 1或△V≤Vth1。
即有： rog1 m2rd3s[1g gm m2 3(1gm 1rd1s)]
假定gm1=gm2=gm3，且gm1rds1>>1，则上式 可简化为：
rord3sgm1rd1s
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
恒流源电路
基本电流镜结构
电流复制的基本原理：
工作在饱和区的两个相同MOS器件（相同的工
艺参数） 具有相同栅源电压；
IR
Io
其漏极电流完全相等
M1
M2
实际电路中由于存在沟道调制效应时，漏源 电压VDS若不相等，则其电流不相等。
基本电流镜结构
在考虑沟道调制效应时有：
Io((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2S S))IR
减小以至消除M2的沟道调制效应，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。
设定VDS2＝VDS1，则Io与IR只与M1、M2的
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。
要使上图为恒流源的条件为VA=VB ，即有：
适当选择M3与M4的尺寸，实现VGS3＝VGS4；
而由图可以看出：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。 该结构的输出阻抗为：
r o r d 2 sr d 4 sr d 2 r d s4 ( 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进行补偿。 为了保证VDS2＝VDS1=VGS1成立，根据萨氏方程，可
简单，并可应用在亚阈值区。 VDD
但是在前一图中M3与M2的
IR
Io
漏源电压仍不相同，因此提
M4
M3
出了一种改进型的威尔逊电
流源，如右图所示。
M1
M2
改进型威尔逊电流源
上图中引入了二极管连接的MOS管M4。 根据饱和萨氏方程以及前一表达式中的
Io/IR的关系，且有：VDS1＝VGS2＋ VGS3－VGS4。设定VGS3＝VGS4，则有 VDS1＝VGS2= VDS2，则有：
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：
rord3srd3s g m g 1g m m 23 rd 1 1 /s rdg 2m s3 g m 2 1 1/rd2s
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）。
低压共源共栅电流源
低压共源共栅结构—常数Vb的偏置
共源共栅电流源
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。
E VDD
Io
IR
Vb
M3
A
B
M1
M2
VDD IR
VDD
IR
E
D
M4
+
M4
A
VGS4+VA
A
-
M1
M1
Io
D
M3
B
M2
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
由共源共栅结构演变而来：是一个输出与 输入短路的共源共栅结构，如图所示。
VDD
IRΒιβλιοθήκη XIoVb
M3
M4
A
B
M1
M2
低压共源共栅结构—常数Vb的偏置
由图可以看出，三极管M3及M1处于饱和区的条 件分别为：
V bV th 3V X(V G1)S V G 1 SV t1 h V b V G 3 (S V A )
Io (W L)2 IR (W L)1
改进型威尔逊电流源
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。
该结构只需四个MOS管，因此应用较广，且 可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。
以上结论成立的前提是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
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。
威尔逊电流源
威尔逊电流源
该电流源的基本原理：
利用负反馈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
M1
Io M3
M2
g m1Vgs1