第5章无源和有源电流镜
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第5章 电流镜
误差。
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
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cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
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/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
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
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 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
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跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
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MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
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MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
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阈值电压
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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I/V特性－沟道随VDS的变化
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掌握器件物理知识的必要性
• 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
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。
电流镜的原理和应用
电流镜的原理和应用1. 电流镜的概述电流镜是一种电路结构，它能够实现电流的镜像和放大功能。
它通常由两个相互耦合的晶体管组成，其中一个晶体管充当参考电流源，另一个晶体管输出镜像电流。
电流镜在集成电路设计中广泛应用，特别是在模拟电路和放大器设计中。
2. 电流镜的原理电流镜的工作原理基于负反馈的概念。
当一个电流通过参考晶体管时，参考电流源会自动调整晶体管的驱动电压，以使输出晶体管输出相同的电流。
这种负反馈机制使得电流镜能够产生非常稳定的输出电流。
3. 电流镜的类型3.1 硬件电流镜硬件电流镜是指基于晶体管的电流镜设计。
它可以产生高精度的电流镜像和放大功能，适用于需要精确电流镜像和高增益放大的应用。
硬件电流镜的设计涉及到晶体管的匹配和电压稳定器的设计，需要一定的电路调整和优化。
3.2 软件电流镜软件电流镜是指通过数字信号处理算法来实现电流镜的功能。
它通常用于数字信号处理器（DSP）和数字电路中，可以实现高度灵活的电流控制和精确的电流镜像。
软件电流镜的实现需要软硬件协同设计和编程。
4. 电流镜的应用4.1 放大器设计电流镜在放大器设计中起到重要作用。
它可以提供高精度的电流放大，并增加放大器的线性度和稳定性。
电流镜通常用于放大器的输入阶段，以实现信号的放大，同时还可以提供常量电流驱动。
4.2 比较器设计电流镜可以在比较器设计中使用。
通过调整电流镜的比例，可以实现不同输入信号的比较功能。
比较器常用于模拟-数字转换器（ADC）和数字-模拟转换器（DAC）等应用中。
4.3 电流源设计电流镜可以作为电流源使用。
电流源是模拟电路中常用的基本元件，它可以提供固定的恒定电流，用于驱动各种负载电路。
电流镜在电流源设计中可以提供高精度的恒流输出。
4.4 高精度传感器电流镜也可以用于高精度传感器的设计中。
通过使用电流镜来控制传感器输出的电流，可以实现更高的测量精度和稳定性。
电流镜在温度传感器、压力传感器和光传感器等领域中得到广泛应用。
第5章 无源与有源电流镜
共源共栅屏蔽特性
华侨大学IC设计中心
若系统内部电路导致X 点的电压与Y 点的电压由∆V的差值， 则P点电压与Q点电压的差值为多少？
∆VP ,Q ≈ ∆V [( gm 3 + gmb 3 )rO 3 ]
见书P75,式3.130 P75,式
共源共栅器件可以使底部晶体管免受变化的影响。
共源共栅电流镜
抑制沟道长度调制效应
基本电流源的误差
沟道长度调制效应
Y
X
华侨大学IC设计中心
(W L ) 2 λ＝0， I out = I REF ⇒ (W L ) 1 λ ≠ 0：
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS1 ) 2 L 1
I D1 =
。
I D2 =
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS 2 ) 2 L 2
= (VGS 3 − VTH ) + (VGS 2 − VTH ) + VTH
VN = VGS 0＋VX = VGS 3 + VY = VGS 3 + VGS 2
两个过驱动电压加上一个阈值电压
M2饱和，VY ≥ VGS 2 − VTH M 1饱和，VP − VY ≥ VGS 3 − VTH ⇒ VP ≥ (VGS 2 − VTH ) + (VGS 3 − VTH )
I D 2 (W L )2 1 + λVDS 2 = ⋅ I D1 (W L )1 1 + λV DS1
VGS 1 = VGS 2 = VDS 1 , 但是VX 可能不等于VY，即VDS1 ≠ VDS2 导致I out ≠ I ref
无源与有源电流镜
on3,
VXmin = Von3 + VB(A)
M3退出饱和
= Von3 +(VGS1(2) - VT )+ VT = Von3 + Von2 + VT
这比M2和 同时 这比 和M3同时 退出饱和时的： 退出饱和时的： VXmin = Von3 +Von2 大了一个开启电压
M2退出饱和
VT这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失 这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失!
2 I REF VA - VD = - I REF R + VGS3 = + VT - I REF R ≤ VT β3 2 2 V ∴ I REF ≥ ∴ ≤ I R E F ≤ T ⋯ ⋯ (1) β3 R 2 β3 R 2 R 2 V 2 ≤ T ⇒ R ≥ (1)式有解要求 β R 2 式有解要求: 式有解要求 R β3 VT 3
V0 V3 =2gm3(4)V3 + =2I1 +Ir03(4)≈2IX r03(4) r03+ 1 gm3(4) IX = 1
r03(4)
r03(4) +
1 gm3(4)
IX ≈ IX
Ir03(4) =
1+ gm3(4)r03(4)
IX <<IX ≈I1
M0、M3选择合适的宽 长比使V 长比使 GS0＝VGS3， 则VX=VY 。
画出V 例5.4 画出 X 从一个大的正 电压下降时I 电压下降时 X 的草图。 和VB的草图。
基本共源共栅电流镜的摆幅问 题 M 刚退出饱和时 =V 当 刚退出饱和时V
3 DS3
退出饱和以前可以认为V 因M3退出饱和以前可以认为 B 基本不变( 基本不变 △VB ≈△VA/(gm3r03)) , 即VB = VA =VGS1(2), 故当M3刚退 故当 出饱和时有: 出饱和时有
chapter5电流镜
2009-3-24
6
Example 5.2
• M1的小信号漏电流 ： i1 = g V m1 in
I D3
= ID2
(W / L)3 (W / L)2
=
I
D1
(W (W
/ /
L)3 L)2
• 小信号漏电流 ：
i3
= i1
(W / L)3 (W / L)2
=
g V m1 in
(W / L)3 (W / L)2
• 工艺误差对于共模输出电平影响比较大。
2009-3-24
21
5.3.1 Large-signal analysis
• 考察 Vin1 − Vin2 从很负到很正变化（ Vin1 = Vin2 时， 应保证P点电位使M5工作在饱和区）。
• Vin1 − Vin2 很负时，M1、M3和M4截止。故无电 流 从 VDD 流 出 ， M2 和 M5 工 作 在 深 线 性 区 ， Vout=0。
xyvv22223321120021212121thgsoxnthgsoxnoutthgsoxnthgsoxnrefvvlwcvvlwcivvlwcvvlwci????????????????????????????example53112009324已知电流源两端电压最小为05vvddvn解出最大irefmaxythoxnrefxthxnoxnthxoxnrefvvlwcivvvvlwcvvlwci?????????????????????1120021122121011000110002222ththoxnrefththoxnrefoxnrefthxoxnrefnvvwlwllwcivvlwcilwcivvlwciv????????????????????????????????????????????电压余度122009324voltageheadroom分析
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。
THANKS FOR WATCHING
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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。
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜.ppt
– 当Vin1-Vin2变得正的多时，ID1↑，|ID3|↑， |ID4|↑的 趋势，ID2 ↓，最终导致M4进入线性区
– 当Vin1-Vin2足够正时，M2关断，M4的电流为0且 处于深线性区，Vout＝VDD
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12
电流镜作负载的差动对
– 输入共模电压的选择 为使M2饱和，输出电压不能小 于Vin,CM-VTH，因此，为了提高 输出摆幅，应采用尽量低的输 入共模电平，输入共模电平的 最小值为VGS1,2+VDS5,min。
缺点：由于①M2有衬偏效应，而M5没有② 实际中RbI1大小不好控制，产生误差。
例2：在图b中，采用二极管连接的M7代替电 阻。在一定I1下，选择大(W/L)7，从而VGS7 ≈VTH7， 这样Vb=VGS5+VGS6-VTH7
缺点：虽然不需要电阻，但M2有衬偏效应， 而M5没有，仍会产生误差。
2020/3–/25因此，设计中给出余量。
11
电流镜作负载的差动对
3、电流镜作负载的差动对
• 3.1大信号分析
– Vin1-Vin2足够负时，M1、M3和M4均关断，M2和 M5工作在深线性区，传输的电流为0，Vout=0；
– 随Vin1-Vin2增长，M1开始导通，使ID5的一部分流 经M3，M4开启，Vout增长
– 当Vin1和Vin2相当时，M2和M4都处于饱和区， 产生一个高增益区。
M1和M2用一个RXY=2rO1,2代替，RXY 从VX抽取的电流以单位增益(近似)， 由M3镜像到M4。则，
若2rO1,2>>(1/gm3)||rO3,
• 电路增益：
1
2020/3/25
I ss
15
电流镜作负载的差动对
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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
15
电流镜中晶体管的W的取值方法
I out
Weff 2 Weff 1
I REF
m(Wcell DW ) m I REF I REF n(Wcell DW ) n
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西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
基本电流镜的不足
电流复制误差较大，受影响
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
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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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
Vout (W / L)3 Av g m1RL V in (W / L) 2
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高输出摆幅的差分放大器
见教材P104，图4.33
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 11
单级共源放大器
提高输出摆幅 M1管偏置在饱和区，漏电流为I1， IS=0.75I1
I D2
I D1 gm 4
2 nC
W ox L
ID
g m1 4 n (W / L)1 Av gm2 p (W / L) 2
7
基本电流镜－等量复制
镜面
基本电流镜
I REF
n Cox W
2
1
L
(VGS VTH )
2
I REF f (VGS )
I out ff ( I REF ) I REF
VGS f ( I REF )
8
1
忽略了的影响（会影响复制精度） Iout也可以不等于IREF
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
基准电流 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 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） 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
基于IREF，“复制”产生所需各电流
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
nCox W 2 I REF ( )1 (VGS VTH ) (1 VDS 1 ) 2 L nCox W 2 I out ( ) 2 (VGS VTH ) (1 VDS 2 ) 2 L
I ( W / L ) ( 1 V ) out 2 DS 2 通常VDS2都不等于 I REF (W / L)1 (1 VDS 1 ) VDS1，导致误差
电流值往往会随工 艺、电源、温度等 变化而变化
电阻、电容、噪声 等
如何电路实现并可 设、精确、稳定？
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 5
基于电阻分压的电流源
电流值对工艺、电源、温度等变 化敏感
不同芯片阈值偏差可达100mV n 、VTH随温度变化
输出电压范围
大于M1管的VOV即可
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
无源电流镜
Passive Current Mirror 用做产生直流偏置电流时
有源电流镜
Active Current Mirror 象有源器件一样用作小信号处理时
“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现
I REF
Weff 2 Leff 1 I REF Weff 1 Leff 2
当L1L2时
当L1=L2时
Ldrawn 1 2LD Ldrawn 1 Leff 1 Ldrawn 1 2LD Ldrawn 1 Ldrawn 2 2LD Ldrawn 2 Leff 2 Ldrawn 2 2LD Ldrawn 2
考察Vx逐渐下 降的过程
M3管开始退 出饱和区 M2管开始退 出饱和区，输 出电阻开始大 幅度下降
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 23
输出摆幅问题
优点
提高了输出电阻， 从而提高了电流 复制精度高
缺点
降低了输出摆幅
VN VGS 3 VY VGS 3 VX VGS 3 VGS 1
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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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 VP VY ( g m3 g mb 3 )rO 3 代价：牺牲了输出电压摆幅 没有M3管时： VP VGS 1 VTH VOV 1 如何产生Vb？
结论： 取L1=L2，便于 获得期望的精确 电流值
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 14
电流镜中晶体管的W的取值方法
I out Weff 2 Leff 1 Weff 2 I REF I REF 电流复制精度取决 于W之间的比值 Weff 1 Leff 2 Weff 1
当W1=W2时 当W1W2时
横向扩散和场 氧化层侵蚀会 使LeffLdrawn、 WeffWdrawn
Leff Ldrawn DL Weff Wdrawn DW
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 13
电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out
Leff 1 Leff 2
(Weff / Leff ) 2 (Weff / Leff )1
n (
W W )1 (VGS 1 VTH 1 ) 2 4 p ( ) 2 (VGS 2 VTH 2 ) 2 L L
| VGS2 VTH2 | (VGS1 VTH1 )
若要求Av=-10，当 Av V =200mV、V =0.7V时， n (W / L)1 OV1 TH 4p (W / L) 2 4 VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则 Vout不能大于2.1V
基本电流镜－比例复制
I REF I out
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
nCox W
2 2 ( L (
)1 (VGS VTH )
2
n Cox W
L
) 2 (VGS VTH )
2
I out
(W / L) 2 I REF (W / L)1
VP Vb VTH VGS 3 VGS 1 VTH VGS 3 VOV 1 VTH 3 VOV 3 VOV 1
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
如何提高输 出摆幅？
24
提高输出摆幅
提高方法
降低Vb的值
原理
要保证M1和M2都工作在饱和 区，需要Vb满足：
为了输出电压范围较大，VOV取 典型值200mV
若VTH改变50mV，则IOUT改变44％
I OUT
nCox W
2
R2 2 评价：电流值无法精 ( VDD VTH ) 确、稳定，很难实用 L R2 R1
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基于基准电流的电流源－原理
IREF
VY VN VGS 3 VGS 0 VGS 3 VX
只要VGS0=VGS3，即可VX=VY 只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1
VGS
2I D VTH 有体效应时亦成立 n COX (W / L)
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大信号特性
VOV 1 VGS 2 Vb VGS 1 VTH 2
输出电压的最小值：
Vout ,min Vb VTH 4
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：Vb,min
VOV 1 VGS 2
Vout ,min VOV 1 VGS 2 VTH 4 VOV 1 VOV 2
合理设计I1、(W/L)5和Rb的 值，可以得到期望的Vb,min
Vb VGS 5 VDS 6 VGS 5 (VGS 6 VGS 7 )
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
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本讲 电流镜
基本电流镜 共源共栅电流镜 有源电流镜
有M3管时：
Vb VGS 3 VY VGS 3 VX VGS 3 VGS 1
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VP Vb VTH VGS 3 VGS 1 VTH VGS 3 VOV 1
共源共栅级的屏蔽特性
X
X
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 rO1 VX Vout [1 ( g m 2 g mb 2 )rO 2 ]rO1 rO 2 1 Vout ( g m 2 g mb 西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 2 )r O2
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
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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
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电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out
I out
(W / L) 2 为什么取L1=L2 I REF (W / L)1
(Weff / Leff ) 2
Weff 2 Leff 1 I REF I REF (Weff / Leff )1 Weff 1 Leff 2
15
电流镜中晶体管的W的取值方法
I out
Weff 2 Weff 1
I REF
m(Wcell DW ) m I REF I REF n(Wcell DW ) n
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基本电流镜的不足
电流复制误差较大，受影响
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
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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
Vout (W / L)3 Av g m1RL V in (W / L) 2
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高输出摆幅的差分放大器
见教材P104，图4.33
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单级共源放大器
提高输出摆幅 M1管偏置在饱和区，漏电流为I1， IS=0.75I1
I D2
I D1 gm 4
2 nC
W ox L
ID
g m1 4 n (W / L)1 Av gm2 p (W / L) 2
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基本电流镜－等量复制
镜面
基本电流镜
I REF
n Cox W
2
1
L
(VGS VTH )
2
I REF f (VGS )
I out ff ( I REF ) I REF
VGS f ( I REF )
8
1
忽略了的影响（会影响复制精度） Iout也可以不等于IREF
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基准电流 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 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） 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
基于IREF，“复制”产生所需各电流
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nCox W 2 I REF ( )1 (VGS VTH ) (1 VDS 1 ) 2 L nCox W 2 I out ( ) 2 (VGS VTH ) (1 VDS 2 ) 2 L
I ( W / L ) ( 1 V ) out 2 DS 2 通常VDS2都不等于 I REF (W / L)1 (1 VDS 1 ) VDS1，导致误差
电流值往往会随工 艺、电源、温度等 变化而变化
电阻、电容、噪声 等
如何电路实现并可 设、精确、稳定？
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基于电阻分压的电流源
电流值对工艺、电源、温度等变 化敏感
不同芯片阈值偏差可达100mV n 、VTH随温度变化
输出电压范围
大于M1管的VOV即可
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
无源电流镜
Passive Current Mirror 用做产生直流偏置电流时
有源电流镜
Active Current Mirror 象有源器件一样用作小信号处理时
“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现
I REF
Weff 2 Leff 1 I REF Weff 1 Leff 2
当L1L2时
当L1=L2时
Ldrawn 1 2LD Ldrawn 1 Leff 1 Ldrawn 1 2LD Ldrawn 1 Ldrawn 2 2LD Ldrawn 2 Leff 2 Ldrawn 2 2LD Ldrawn 2
考察Vx逐渐下 降的过程
M3管开始退 出饱和区 M2管开始退 出饱和区，输 出电阻开始大 幅度下降
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输出摆幅问题
优点
提高了输出电阻， 从而提高了电流 复制精度高
缺点
降低了输出摆幅
VN VGS 3 VY VGS 3 VX VGS 3 VGS 1
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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 VP VY ( g m3 g mb 3 )rO 3 代价：牺牲了输出电压摆幅 没有M3管时： VP VGS 1 VTH VOV 1 如何产生Vb？
结论： 取L1=L2，便于 获得期望的精确 电流值
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电流镜中晶体管的W的取值方法
I out Weff 2 Leff 1 Weff 2 I REF I REF 电流复制精度取决 于W之间的比值 Weff 1 Leff 2 Weff 1
当W1=W2时 当W1W2时
横向扩散和场 氧化层侵蚀会 使LeffLdrawn、 WeffWdrawn
Leff Ldrawn DL Weff Wdrawn DW
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电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out
Leff 1 Leff 2
(Weff / Leff ) 2 (Weff / Leff )1
n (
W W )1 (VGS 1 VTH 1 ) 2 4 p ( ) 2 (VGS 2 VTH 2 ) 2 L L
| VGS2 VTH2 | (VGS1 VTH1 )
若要求Av=-10，当 Av V =200mV、V =0.7V时， n (W / L)1 OV1 TH 4p (W / L) 2 4 VSG2=1.2V。若VDD=3.3V，则 Vout不能大于2.1V
基本电流镜－比例复制
I REF I out
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
nCox W
2 2 ( L (
)1 (VGS VTH )
2
n Cox W
L
) 2 (VGS VTH )
2
I out
(W / L) 2 I REF (W / L)1
VP Vb VTH VGS 3 VGS 1 VTH VGS 3 VOV 1 VTH 3 VOV 3 VOV 1
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如何提高输 出摆幅？
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提高输出摆幅
提高方法
降低Vb的值
原理
要保证M1和M2都工作在饱和 区，需要Vb满足：
为了输出电压范围较大，VOV取 典型值200mV
若VTH改变50mV，则IOUT改变44％
I OUT
nCox W
2
R2 2 评价：电流值无法精 ( VDD VTH ) 确、稳定，很难实用 L R2 R1
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基于基准电流的电流源－原理
IREF
VY VN VGS 3 VGS 0 VGS 3 VX
只要VGS0=VGS3，即可VX=VY 只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1
VGS
2I D VTH 有体效应时亦成立 n COX (W / L)
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大信号特性
VOV 1 VGS 2 Vb VGS 1 VTH 2
输出电压的最小值：
Vout ,min Vb VTH 4
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：Vb,min
VOV 1 VGS 2
Vout ,min VOV 1 VGS 2 VTH 4 VOV 1 VOV 2
合理设计I1、(W/L)5和Rb的 值，可以得到期望的Vb,min
Vb VGS 5 VDS 6 VGS 5 (VGS 6 VGS 7 )
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
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本讲 电流镜
基本电流镜 共源共栅电流镜 有源电流镜
有M3管时：
Vb VGS 3 VY VGS 3 VX VGS 3 VGS 1
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VP Vb VTH VGS 3 VGS 1 VTH VGS 3 VOV 1
共源共栅级的屏蔽特性
X
X
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 rO1 VX Vout [1 ( g m 2 g mb 2 )rO 2 ]rO1 rO 2 1 Vout ( g m 2 g mb 西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 2 )r O2
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
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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
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电流镜中晶体管的L通常设计为相同
I out
I out
(W / L) 2 为什么取L1=L2 I REF (W / L)1
(Weff / Leff ) 2
Weff 2 Leff 1 I REF I REF (Weff / Leff )1 Weff 1 Leff 2