模拟集成电路 无源与有源电流镜
第5章 电流镜
二 • 共源共栅电流镜
基本共源共栅电流镜
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复制! 即使VP变化, 因∆VY= ∆VP /(gm3r03), 故VX≈VY , Iout≈ IREF。注意, 这是 靠牺牲电压余度来获得的精度!
M0、M3选择合适的宽长比使 VGS0＝VGS3，则VX=VY 。
虚框内电路对称,可用半电 路虚地概念
三 • 有源电流镜 有源负载差动对的小信号增益（2）
由KVL定理，得:
V
V
in
in
V = -g (- )r +g r =g V r
eq
m2
02 m1 01 m1(2) in 01(2)
2
2
由戴维南定理，显然: R = r +r = 2r eq 01 02 01(2)
较少的电压余度而采用较小的偏置电压时，这个问
题更严重。
例如，若Von1＝200mV，VTH有50mV的误差就会使输出电流产生44%的误差。
如何产生精度、稳定性均较好的电流源?
一 • 基本电流镜
用基准来产生电流源
用相对较复杂的电路(有时需要外部的 调整)来产生一个稳定的基准电流IREF。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流IREF的复制 ( IREF常由基 准电路(第11章)产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流源 。现在我们关心 的是，如何产生一个基准电流的精确复制呢？
二 • 共源共栅电流镜
低压共源共栅电流镜的原理
上图中VA=VGS1-VDS2，若选取VDS2≈ VT , 则：
VB =
VA ≈ Von1(3), 于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本共源共栅电流
CMOS-模拟集成电路课件-电流源与电流镜
+ VTHN+2VOD
W/(4L)
VB
-
M4
VDD
W/L
M0
W/L
M1
IREF
Z +
VOUT IOUT=IREF
W/L +
VOD -
M3
VOD -
+
W/L
+
VOD -
M2
VOD -
例4：自偏置 增加R使得 IREFR = VOD，
VGS1 = VTHN + VOD 这样,
VB= VTHN + 2VOD
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2024/10/19
8
• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
2024/10/19
VDD IREF
+ VOD R
-
VB = 2VOD +VTHN VOUT
IOUT=IREF
+
M0 X
VOD
M3
Y+
VGS = +
VOD
M1 VOD +VTHN M2
-
16
-
小结
• 工作在饱和区的MOS晶体管可以充当电流源 • 基本电流镜—基于电流复制 • 共源共栅电流镜—提高复制精度 • 大输出摆幅共源共栅电流源—使得输出的下限等
(模拟集成电路原理)第5章-无源与有源电流镜
2021/10/4
15
利用半电路近似计算 Gm
2021/10/4
3
基准电流的简单“复制”
基本电流镜中，若不 考虑沟道调制效应：
IREF
=
μnC 2
OX
(
W L
)1(VGS
- VTN )2
Iout
=
μn C OX 2
(
W L
)2(VGS
- VTN )2
基本电流镜
Iout
= (W/L)2 (W/L)1
IREF
该式表明Iout是IREF的复制且不受 电源电压、温度和工艺的影响。
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20
有源负载差动对的小信号增益（1）
虚框内电路对称,可 用半电路虚地概念
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有源负载差动对的小信号增益（2）
由KVL定理，得:
Veq
=
-gm2(-
Vin 2
)r02
+
gm1
Vin 2
r01
=
g V r m1(2) in 01(2)
由戴维南定理，显然: Req = r01 + r02 = 2r01(2)
ID1 ID3 ID4 gm1,2Vin/ 2
ID2 gm1,2Vin/ 2
Iout ID2 ID4 g m1,2Vin , G m g m1,2
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜
• 3.2 小信号分析 • （忽略衬偏效应） • 方法一 • 利用 • 计算
得到，
gm1Vin/2
gm1Vin/2 gm2Vin/2
• 计算 • M1和M2用一个21,2代替，
从抽取的电流以单位增益(近 似)，由M3镜像到M4。则，
若21,2>>(13)3,
• 电路增益：
1 I ss
• 3.3 共模特性 • 电路不存在器件失配时
• 两个都工作在饱和区且具有相等栅源电压的相同晶体管传 输相同的电流（忽略沟道长度调制效应）。
• 按比例复制电流 • （忽略沟道长度调制效应）
得到
该电路可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响； 与的比值由器件尺寸的比率决定。
忽略沟道长度调制效应！
• 例子：
• 实际设计中，所有晶体管采用相 同的栅长，以减小由于源漏区边 缘扩散所产生的误差。
• 沟道长度调制效应使得电流镜像产生极大误差，
因此
• 共源共栅电流源 • 为了抑制沟道长度调制的影响，
可以采用共源共栅电流源。共源共 栅结构可以使底部晶体管免受变化 的影响。
• 共源共栅电流镜 • 共源共栅电流镜 • 确定共源共栅电流源的偏置电压，
采用共源共栅电流镜结构。 •
– 共源共栅电流镜消耗了电压余度 – 忽略衬偏效应且假设所有晶体管都是相同的，则P点所允许的
模拟集成电路设计
电流镜
提纲
• 1、基本电流镜 • 2、共源共栅电流镜 • 3、电流镜作负载的差动对
Байду номын сангаас ：电流源
• 处于饱和区的管可以作为一种电流源
Iou I tD 1 2n C oW L x(V G S V t) h 2 (1 V D )S
2010年CMOS模拟集成电路复习提纲
2007年《大规模集成电路分析与设计》复习提纲第2章MOSFET 的工作原理及器件模型分析重点内容：＊ CMOS 模拟集成电路设计分析的最基本最重要的知识：MOS 器件的三个区域的判断，并且对应于各个区域的I D 表达式，和跨导的定义及表达式。
＊ 体效应的概念，体效应产生的原因，及体效应系数γ。
＊ 沟道调制效应的概念，沟长调制效应产生的原因，沟道电阻D o I r λ1=，λ与沟道长度成反比。
＊ MOS 管结构电容的存在，它们各自的表达式。
＊ MOS 管完整的小信号模型。
MOSFET 的I-V 特性 1. TH GS V V <,MOS 管截止 2. TH GS V V ≥,MOS 管导通a.TH GS DS V V V -<,MOS 管工作在三极管区;⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=221)(DS DS TH GS ox n D V V V V L W C I μ 当)(2TH GS DS V V V -<<时,MOS 工作于深Triode 区,此时DS TH GS oxn D V V V LWC I )(-≈μ,DSD V I ~为直线关系. 导通电阻:)(1TH GS ox n DDSon V V LW C I V R -=∂∂=μb .THGS DSV V V -≥,MOS 管工作在饱和区;2)(21TH GS oxn D V V LWC I -=μ 跨导g m ：是指在一定的V DS 下，I D 对V GS 的变化率。
饱和区跨导：TH GS DD oxn H T GS oxn m V V I I LW C V V LW C g -==-=22)(μμ三极管区跨导：DS ox n m V L WC g μ=MOSFET 的二级效应1. 体效应: 源极电位和衬底电位不同,引起阈值电压的变化.)22(0F SB F TH TH V V V φφγ-++=)22(0FP BS FP n TH THN V V V φφγ--+=)(H T GS oxn constV GSD m V V LW C V I g DS -=∂∂==μ)22(0FN FN BS P TH THP V V V φφγ---+=2. 沟长调制效应: MOS 工作在饱和区,↑DS V 引起↓L 的现象.)1()(212DS TH GS ox n D V V V LWC I λμ+-⎪⎭⎫⎝⎛= TH GS D DS D ox n DS H T GS oxn GSD m V V I V I L W C V V V LW C V I g -=+⎪⎭⎫⎝⎛=+-=∂∂=2)1(2 )1)((λμλμ 饱和区输出阻抗：λλμ⋅=⋅-⎪⎭⎫⎝⎛=∂∂=D TH GS ox n DS D o I V V LWC V I r 1)(21112线性区输出阻抗：()[]DS TH GS oxn o V V V LW C r --=μ13. 亚阈值导电性V GS <V TH ,器件处于弱反型区.V DS >200mV 后,饱和区I D -V GS 平方律的特性变为指数的关系:T GSD V V I I ζexp0=MOSFET 的结构电容（各电容的表达式见书）MOSFET 的小信号模型MOS 器件在某一工作点附近微小变化的行为,称为小信号分析.此时MOS 器件的工作模型称为小信号模型. MOS 管的交流小信号模型是以其直流工作点为基础的。
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
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23
I/V特性—PMOS管
定义从D流 向S为正
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s
27
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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28
二级效应
前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简 单假设
忽略了VDS对L的影响等二级效应
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值
工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
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14
I/V特性－沟道随VDS的变化
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I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I Qd v
Qd WCox(VGS VTH)
dx
L
VD S
IDdx WCoxn[VGS V(x) VTH]dV
x 0
V0
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 2
VDS2 ]
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模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
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I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
数字电路设计师一般不需要进入器件内 部，只把它当开关用即可
AIC设计师必须进入器件内部，具备器 件物理知识
❖MOS管是AIC的基本元件 ❖MOS管的电特性与器件内部的物理机制密
切相关，设计时需将两者结合起来考虑
器件级与电路级联系的桥梁？
❖器件的电路模型
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5
本讲
基本概念
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
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深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
上一讲
研究模拟电路的重要性 模拟电路设计的难点 研究AIC的重要性 研究CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
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3
上一讲
数字电路无法完全取代模拟电路，模拟 电路是现代电路系统中必不可少的一部 分
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
无源与有源电流镜
电路复杂度
无源电流镜的电路结构相 对简单，易于实现，而有 源电流镜的电路结构相对 复杂，实现难度较大。
性能指标
无源电流镜和有源电流镜 在性能指标方面各有优劣， 具体选择取决于实际应用 需求。
05
无源与有源电流镜的未 来发展
技术挑战与解决方案
技术挑战
无源电流镜在保持高速度和高精度的同时，面临着功耗和散热的挑战；有源电流镜的精度和线性度仍 有待提高。
发展趋势比较
无源电流镜
随着对低功耗和低噪声电路需求的增加，无源电流镜的研究和应用将进一步发展。未来可能通过改进工艺和材料 提高其性能，并拓展到更多领域。
有源电流镜
随着对高速、高带宽和低失真电路需求的增加，有源电流镜的研究和应用将进一步发展。未来可能通过改进电路 设计和优化工艺提高其性能，并拓展到更多领域。
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优点与限制
优点
无源电流镜具有低功耗、高精度和稳定性好的优点，适用于需要低功耗和精确 复制电流信号的电路中。
限制
无源电流镜的输出电流大小和范围有限，且对工艺和温度变化敏感，需要精确 匹配和校准。
应用领域
01
02
03
生物医学工程
用于构建低功耗、高精度 的生物医学传感器和电路。
通信技术
用于实现高速、低噪声的 电流信号传输和处理。
物联网
用于构建低功耗、高精度 的无线传感器节点和电路。
02
有源电流镜概述
定义与工作原理
定义
有源电流镜是一种电子器件，通过复制输入电流并产生一个精确的镜像输出电流 。
工作原理
有源电流镜通常由一个或多个晶体管构成，通过精确调整晶体管的参数，使得输 出电流与输入电流相等或成比例。
《模拟集成电路设计》实验指导
尺寸 W/L
2um/0.7um=2.86 0.35um/2um=0.175 1um/0.7um=1.43 1um/1.4um=0.71
4、增益 AV 的估算
1 W AV g m1 ro1 / / ro3 2nCox I1 398 52dB ，符合要求。 L 1 n p I1
5、转换速率 Sr 的估算。 Sr=ISS/CL==1.2V/us 满足要求。 6、CMRR 的估算
CMRR ADM 1 1 W W g m3,4 (ro1,2 || ro3,4 )(1 2 g m1,2 RSS ) 2 pCox I3 (1 2 2nCox I 3 ) ACM L 3 n p I3 L 1 n I RSS
估算共模抑制比。 7、PSRR(电源抑制比)的估算 根据第 9 章 p275 对有源电流镜差动对的电源抑制比的计算和分析，电源抑制比的计算 公式为 PSRR gm1 ro1 / / ro3 。 8、输入共模电平和输出共模电平的确定。 根据题目要求，要求输入共模电平 Vin,CM=1.6V；Vout,CM=1.6V。 在以上的设计下，可以得到各个管子等的参数，从而确定电路参数的设计。 9、电路的总功率的估算。 电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：
9、电路的总功率的估算。 电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：
PD=PV+PI=VDD (ISS+IREF)-(VDD-VGS6) IREF
电压源的功率为：
Pv=VDD (ISS+IREF)=3.3V (6 3)A=29.7 W
电流源的功率为：
PI=-VI IREF=-(VDD-VGS6) IREF=-(3.3-0.9)V 3uA=-7.2uW
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2020/6/20
1
简单偏置的电流源
IO U T
unCox 2
W( R2 L R2 R1
VD D
VTH)2
上式说明Iout受很多因素影响：电源、工艺(不 同晶片VTH可能会有100mV的误差)、温度(n ， VTH都受温度的影响)。因此Iout很难确定。 特别是为使M1消耗较少的电压余度而采用较小 的偏置电压时，这个问题更严重。
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11
实用自偏置低压共源共栅电流镜
假定左图所有MOS管的开启电压均为VT, 若使M1～M4均 饱和, IREF应满足什么要求?
M3饱和时, VE≥VC-VT,即:
VR=VC-VE =IREFR≤ VT,
故:
IREF
≤
VT R
M1饱和时, VD≥VA-VT,又因为:
VA - VD = -IREFR + VGS3 =
Ir e f
1 2
kn , 1(
W L
)1(
VG
S
,
1
VT H , 1)2( 1λ1VD S , 1)
ID 2Biblioteka Io ut1 2kn
,
2(
W L
)2(
VG
S
,
2
VTH,2)2( 1λ2VDS,2)
I 1 λ V o u t I 1 λ V r e f
DS2 DS1
电流镜中所有MOS管取相同的沟道 长度L，以减小源漏区边缘扩散(LD) 所产生的误差。
M3退出出饱饱和和时==有VV:oonn33
+(VGS1(2) + Von2 + VT
VT
)+
VT
M2退出饱和
这比M2和M3同时 退出饱和时的：
VXmin = Von3
VT这在低电源电压运用中是一个很大的电压损+V失on2大了一个开
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8
基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因
分析基本共源共栅电流镜输出摆幅损失了 一个阈值电压VT的原因不难发现: 由于M3 退出饱和时VB基本不变, 故为使: VXmin=Von3+Von2
2IREF β3
+ VT - IREFR ≤ VT
IREF
≥2 β3 R 2
2
β3
R
2
≤ IREF
≤
VT L R
L
(1)
(1)式有解要求:
2020/6/20
2 β3 R 2
≤
VT R
R≥ 2 β3 VT
12
例：假定＝＝0，IR=100uA，nCox＝1.4410-5A•V-2 M1～M8的（W/L）均为400u/5u，完成如下问题： 1. 求图（1）电路的Vomin，并求VA, VB的值。 2. 求图（2）电路的Vomin，并求VC, VD以及电阻R的值
静态时(Vin1=Vin2) ,如果电路完全对称,则 VF=Vout, 证明如下: 假定VF>Vout (即 ID3<ID4), 则由于沟道调制效应ID1>ID2, 因ID1=ID3, ID2=ID4, 故ID3>ID4, 这与假 设矛盾; 反之也成立, 故必有VF=Vout
2020/6/20
10
低压共源共栅电流镜Vb的产生
左图中, 若(W/L)1〜4=1, (W/L)5=1/4, 记Von=VGS-VT, 若不考虑沟道调制效 应，则: VGS 1〜4= VT + Von。
∵VC＝ VT + 2Von ∴VA＝ VB ＝ Von ∴V0min＝ 2 Von
该电路的缺点是为给M3和M4产生合适的偏置增加了M5支路 ，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低压共源 共栅电流镜。
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3
基准电流的简单“复制”
基本电流镜中，若不 考虑沟道调制效应：
IREF
=
μnC 2
OX
(
W L
)1(VGS
- VTN )2
Iout
=
μn C OX 2
(
W L
)2(VGS
- VTN )2
基本电流镜
Iout
= (W/L)2 (W/L)1
IREF
该式表明Iout是IREF的复制且不受 电源电压、温度和工艺的影响。
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13
带有源电流镜的差动对
也称“有源”负 载
该电路的重要特性是将差动输入信号变成 了单端输出信号，完成了“双—单端”变 换
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14
有源负载差动对的大信号分析
大信号时, V0max=VDD, V0min=0
M2饱和要求: V0min≥Vin-VT 上式表明小信号时 V0min依赖于输入共模 电平的大小, 为得到最大输出摆幅, 输入共模电平必须尽可能低, 输出摆幅与输入共模电 平之间的矛盾是该电路的一个缺陷。
事实上，VDS1通常是不变的，而VDS2与Iout连接的节点电压有关，一般而 言，这个节点的电压是随输入信号变化而变化的，0时， Iout不可能是 IREF的“精确”复制。
电流镜有何用途？
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4
电流镜运用举例
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5
基本电流镜的误差
Iout如何精确复制Iref?
ID 1
必须使M2在正常工作时VB≈Von2(1), 由于VA=VB, 也即VA≈Von2(1), 然 而在基本共源共栅镜中VA=VGS1=Von1+VT, 显然, 为减小基本共源 共栅电流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小。
2020/6/20
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低压共源共栅电流镜的原理
上图中VA=VGS1-VDS2，若选取VDS2≈ VT , 则： VB = VA ≈ Von1(3), 于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本共源共 栅电流镜减小了一个阈值电压VTH, 低压共源共栅电流 镜由此得名。
例如，若Von1＝200mV，VTH有50mV的误差就会使输出 电流产生44的误差。
如何产生精度、稳定性均较好的电流源?
2020/6/20
2
用基准来产生电流源
用相对较复杂的电路(有时需要外 部的调整)来产生一个稳定的基准 电流IREF。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流IREF的复制 ( IREF常由基准电路(第11章)产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流 源 。现在我们关心的是，如何产生一个基准电流的精确复制呢？
2020/6/20
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基本共源共栅电流镜
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复制! 即使 VP变化, 因VY= VP /(gm3r03), 故VXVY , Iout IREF。注意, 这是靠牺牲电压余度来获得的精度 !
M0、M3选择合适的宽 长比使VGS0＝VGS3， 则VX=VY 。
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7
基本共源共栅电流镜的摆幅问题
例5.4 画出VX 从一个大的正
电压下降时IX 和VB的草图。
当M3刚退出饱和时VDS3=Von3,
因M3退出饱和以前可以认为VB
基本不变(△VB ≈△VA/(gm3r03)) ,
即VBV=XmiVn A==VVon3G+S1V(2B)(,A)故当M3刚退