共源共栅电流镜设计
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
设计共源共栅电流镜
设计共源共栅电流镜1、课程设计的目的熟悉软件使用，了解Cadence、Hspice等软件的设计过程。
掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路版图实现所给要求。
2、课程设计题目及要求2、1课程设计题目：低输出电压高输出电阻的电流镜设计。
2、2课程设计要求：1、电流比1：1。
2、输出电压最小值0.5V。
3、输出电流变化范围5～100UA3、课程设计报告的内容3、1确定电路拓扑结构其中：每个MOSFET 的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4.通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析（对不起，这部分分析是电路设计的基础，希望大家看相关的资料，这里就不详细展开了。
），可以知道该电路的特点如下： 1.小信号输入电阻低（～1/gm1） 2.输入端工作电压低（11T MAX T V V V +∆=3.小信号输出电阻高（23333[1()]out ds m mb ds ds r r g g r r =+++）4.输出端最小工作电压低（43~2(@2)MAX T MAX V V V V ∆=+∆）3、2 设计变量初始估算3、2、1 确定(W/L)1、（W/L ）2为了计算设计变量，我们有必要了解电路MOSFET 的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5V, 令：MN3管工作于临界饱和区（即：33OUTMIN G T V V V =-=0.5V ），而MN1、MN2管随着输入电流in I 从5UA 变到100UA 的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区，同时令：当MN1、MN2工作在临界饱和区时120.252OUTMINDS DS V V V V ===。
为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)222DS GS T V V V ≥-22OUTMIN DS VV ⇔≤=62622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯,为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度共源共栅电流镜和普通电流镜是两种常用的放大器电路结构，它们在电路设计和应用中有着不同的特点和优势。
本文将从工作原理、特点和应用等方面进行详细比较和分析。
1.工作原理：共源共栅电流镜（common source common gate current mirror）是由共源电流镜和共栅电流镜组成的电路结构。
共源电流镜的输入信号通过栅极传到之后的共栅电流镜，再经过源极输出。
普通电流镜（common source current mirror）则只包括共源电流镜，输入信号直接作用于栅极，输出信号通过源极输出。
2.特点比较：（1）共源共栅电流镜的输入电压余度较小：由于共源共栅电流镜具有共源电流镜和共栅电流镜双重反馈结构，输入电压余度较小，可以提高电流镜的线性度和精度。
而普通电流镜只有单一的反馈结构，输入电压余度较大，可能会引入更大的误差。
（2）共源共栅电流镜的输出电压余度较大：由于共源电流镜和共栅电流镜的双重反馈结构，共源共栅电流镜的输出电压余度较大，可以保持输出电流的相对稳定。
而普通电流镜输出电压余度较小，容易受到负载变化的影响，导致输出电流不稳定。
（3）共源共栅电流镜的频率响应较好：由于共源共栅电流镜的双重反馈结构，能够降低电流镜的输入和输出阻抗，提高频率响应。
而普通电流镜的频率响应相对较差。
（4）共源共栅电流镜的功耗较大：由于共源共栅电流镜多了一个共栅电流镜，存在更多的功耗。
而普通电流镜只有单个共源电流镜，功耗相对较小。
3.应用比较：（1）共源共栅电流镜：由于共源共栅电流镜具有输入电压余度小和输出电压余度大的特点，常常用于需要较高精度的电流源和电流放大器设计中。
例如，在运放、A/D转换器和低噪音放大器等应用中，共源共栅电流镜能够提供稳定的电流源和放大器增益。
（2）普通电流镜：普通电流镜更适用于一些对输入电压余度要求较小的应用，例如工作在固定电流下的电流镜等。
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度1. 介绍在集成电路设计中，电流镜是一种常用的电路结构，用于产生稳定的参考电流。
共源共栅电流镜（Common Source Common Gate Current Mirror）和普通电流镜（Common Source Current Mirror）是两种常见的电流镜结构。
本文将对这两种结构进行比较，并讨论它们在输出电压余度方面的差异。
2. 共源共栅电流镜共源共栅电流镜是一种双级结构，由一个N沟道MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）作为上级，一个P沟道MOSFET作为下级组成。
这两个MOSFET通过栅极和源极相连，形成了一个反馈回路。
2.1 工作原理当输入端施加了一个参考电流Iref时，上级的N沟道MOSFET将工作在饱和区，其栅极-源极之间的电压Vgs保持恒定。
该恒定的Vgs通过反馈回路传递到下级的P 沟道MOSFET上，使得下级的P沟道MOSFET也工作在饱和区。
通过调整上级和下级MOSFET的尺寸比例，可以实现输出电流与输入参考电流的比例关系。
2.2 输出电压余度输出电压余度是指在给定的输入参考电流范围内，输出电流的变化程度。
对于共源共栅电流镜，由于其双级结构，输出电压余度相对较好。
这是因为上级N沟道MOSFET的饱和区工作使得其输出阻抗较低，而下级P沟道MOSFET的饱和区工作使得其输入阻抗较高。
因此，共源共栅电流镜在一定程度上能够抵消温度、工艺等因素引起的偏移。
3. 普通电流镜普通电流镜是一种单级结构，只包含一个MOSFET。
它通过调整MOSFET的尺寸比例来实现输出电流与输入参考电流的比例关系。
3.1 工作原理当输入端施加了一个参考电流Iref时，MOSFET将工作在饱和区。
通过调整MOSFET 的尺寸比例，可以控制输出端的偏置电压Vbias和输出端口之间形成一个固定比例关系。
自偏置低压共源共栅电流镜
自偏置低压共源共栅电流镜1. 引言好嘞，今天咱们聊聊一个听起来挺高大上的东西——自偏置低压共源共栅电流镜。
乍一听，这名字像是在绕口令，但其实它就像我们生活中的小工具，默默无闻却不可或缺。
想象一下，电流镜就像是电路中的“影子”，它的工作就是把一个电流“镜像”到另一个地方。
这种小家伙的用途可不少，尤其在模拟电路里，简直是个“万金油”。
所以，咱们今天就来揭开这个小家伙的神秘面纱，看看它是如何在电路里打拼的。
2. 基本原理2.1 电流镜的工作原理首先，得给大家讲讲电流镜是个啥。
简单来说，电流镜就像是个调皮的小孩，它的任务是把一个电流复制到另一个电流上。
你想想，就像两个好朋友，A小孩有个玩具，B小孩也想要一个，于是A就把玩具的样子描述给B，结果B自己也有了个一模一样的。
这就是电流镜的基本原理。
那么，自偏置低压共源共栅电流镜又是怎么回事呢？哎，这个名字里的“自偏置”听上去就像是一个独立的个体，意思是说这个电流镜在工作时不需要外部的偏置电压，自己就能找到合适的工作状态。
就像你不需要别人提醒，就能自己找到合适的工作状态，真是太方便了。
2.2 共源和共栅的特点说到共源和共栅，其实就是这玩意儿的构造。
共源部分负责放大电流，简直就像是个大嗓门，能把微弱的声音放得震天响；而共栅则是个“小天使”，它帮助控制输入和输出之间的关系。
两者结合，就像是一对默契的搭档，工作起来那叫一个顺利。
3. 应用场景3.1 在模拟电路中的应用自偏置低压共源共栅电流镜在模拟电路中可是大显身手的地方。
比如说，在音频放大器中，电流镜的应用能保证音质清晰，不会因为电流不稳定而影响音质。
你想想，听音乐的时候，那种音质差得跟放鞭炮似的，真让人心烦。
电流镜的存在，正是为了让这事儿不再发生。
3.2 在集成电路中的重要性再说说集成电路。
随着科技的发展，集成电路越来越小，功能却越来越强大。
这时候，自偏置低压共源共栅电流镜就像是个小帮手，帮助电路实现高效的电流复制。
CMOS模拟集成电路设计第5章—电流镜
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。
25.03.2020
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共源共栅电流镜
– 低压的共源共栅电流镜中的偏置Vb如何产生？ 设计思路: 让Vb等于（或稍稍大于）VGS2+(VGS1-VTH1),
例1：在图a中，选择I1和器件的尺寸，使M5 产生VGS5≈VGS2，进一步调整M6的尺寸和Rb的阻 值，使VDS6＝VGS6-RbI1 ≈VGS1-VTH1。
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共源共栅电流镜
– 低电压工作（大输出摆幅）的共源共栅电流镜 如图(a)，共源共栅输入输出短接结构， 为使M1和M2处于饱和区，Vb应满足：
得到
，Vb有解
考察图(b)，所有晶体管均处于饱和区，选择合 适的器件尺寸，使VGS2=VGS4，若选择
M3~M4消耗的电压余度最小(M3与M4过驱动 电压之和)。且可以精确复制IREF。
忽略rO1和rO2的影响，则电路的输出阻抗为rO4，
ΔID4电流与ΔID2电流之差将流经rO4 ，且gm3=gm4，
因此，
若rO3>>1/gm3
25.03.2020
比无器件失配时多此项
19
电流镜
小结
• 1、基本电流镜——电路复制 • 2、共源共栅电流镜——提高复制精度 • 3、大输出摆幅的共源共栅电流镜 • 4、电流镜作负载的差动对
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度
共源共栅电流镜和普通电流镜比输出电压余度1. 引言电流镜是集成电路中常用的基本电流源，它能够提供稳定的电流输出。
共源共栅电流镜和普通电流镜是两种常见的电流镜结构，它们在输出电压余度方面有一些不同。
本文将对这两种电流镜的原理、特点和输出电压余度进行详细分析和比较。
2. 共源共栅电流镜2.1 原理共源共栅电流镜是一种由MOS管组成的电流镜结构，其原理如下：•共源：输入电流通过源极流入MOS管，控制MOS管的导通程度。
•共栅：输出电压通过栅极反馈到输入端，使得电流镜的输出电流稳定。
2.2 特点•输出电流稳定性好：共源共栅电流镜通过栅极反馈，可以使得输出电流对温度和供电电压的变化具有较好的稳定性。
•高输入电阻：由于输入电流通过源极流入，共源共栅电流镜具有较高的输入电阻。
•低输出电阻：共源共栅电流镜的输出电流经过栅极反馈，可以实现较低的输出电阻。
2.3 输出电压余度输出电压余度是衡量电流镜输出电压稳定性的指标，它表示在不同输出电流情况下，输出电压的变化程度。
共源共栅电流镜的输出电压余度较好，可以满足大部分应用场景的需求。
3. 普通电流镜3.1 原理普通电流镜是由BJT（双极型晶体管）或MOS管组成的电流镜结构，其原理如下：•BJT电流镜：输入电流通过基极流入BJT管，控制BJT管的导通程度。
•MOS电流镜：输入电流通过栅极流入MOS管，控制MOS管的导通程度。
3.2 特点•输出电流稳定性一般：普通电流镜的输出电流对温度和供电电压的变化敏感，稳定性较差。
•低输入电阻：由于输入电流通过基极或栅极流入，普通电流镜具有较低的输入电阻。
•高输出电阻：普通电流镜的输出电流没有经过反馈，输出电阻较高。
3.3 输出电压余度普通电流镜的输出电压余度较差，容易受到温度和供电电压的影响。
在一些对输出电流稳定性要求较高的应用场景中，普通电流镜可能无法满足需求。
4. 共源共栅电流镜和普通电流镜的比较4.1 输出电流稳定性共源共栅电流镜通过栅极反馈，具有较好的输出电流稳定性，可以在一定范围内保持输出电流基本不变。
增强型电流镜设计报告
前言：本文谨献给有共同兴趣爱好的同学们，以互相讨论共同进步。
由于本人是初学者，文中难免有误，真诚希望同学和前辈们批评指正；在设计过程中走过不少弯路，深知其中的困难，为了共同的提高，兹特共享此文。
真诚期待喜欢模拟又切实投入时间探讨的同学加为好友：wangqq05377@改进型共源共栅电流镜设计报告Author:WANGQQ【摘要】：本文力图严谨、细致和全面地把一个典型的电流镜设计过程呈现给读者，该文探讨的是改进过的低输出电压高输出电阻的电流镜设计。
【关键字】：共源共栅、高输出电阻、低输出电压一．边界条件1.1工艺规范(1)(2)制造工艺0.5um COMS N_WELL 3metal 1poly(3)【注】：由于晶圆制造厂商提供BSIM3V3的MOS模型，而没有直接提供以上设计参数，它们是根据BSIM3V3用户手册推荐的公式并利用晶圆制造厂商提供的BSIM3V3 MOS器件模型参数计算出来的，其实这些公式可以从《半导体器件物理》中得到，兹将这些公式和BSIM3V3器件模型参数罗列如下：(4)MOS器件的电容值和系数（由于以下计算过程没有用到，暂时不再罗列）1.2电源电压MIN：4.5V；TYP：5.0V；MAX：5.5V1.3工作温度MIN：0C︒；TYP：27C︒；MAX：100C︒二．设计指标2.1电流比1：12.2输出电压最小值0.5V2.3输出电流变化范围5～100UA其实也可以采用别的设计方案，比如：在in I ＝100UA 且OUT OUTMIN V V =时，令MN2、MN3同时工作在临界饱和区，则：23DS DS OUTMIN V V V +=OUTMIN V ⇒=OUTMIN V ⇒=，为了使版图面积最小化，令23(/)(/)W L W L =，OUTMIN V =222(/)()2INMAXOUTMIN N I W L V KP ⇒=，……，后续的计算和刚开始讨论的方案类似，读者可以自己展开。
模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第5章无源和有源电流镜PPT课件
常转用换复为制电方流法是先把IREF转换为电压，在由该电压
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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基本电流镜－等量复制
镜面
基本电流镜
I REF
=
n C ox
W (VGS
VTH ) 2
2L
I out = ff 1( I REF ) = I REF
I REF = f (VGS )
模拟集成电路原理
第5章 无源与有源电流镜
11
本讲 电流镜
基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
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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22
明确几个概念
电流源
Current source
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
55
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
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 n Cox W ( R2 VDD
L L eff 2
drawn2
2LD= Ldrawn1 Leff 1= Ldrawn1 2LD Ldrawn1 2LD L L drawn2 eff 2 Ldrawn2 2LD Ldrawn2
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
低压共源共栅电流镜电路
低压共源共栅电流镜电路
低压共源共栅电流镜电路是一种常见的模拟电路，主要用于放大器和模拟开关等应用。
这种电路结构简单，容易存储和集成，因此受到广泛的应用。
下面，我们来分步骤阐述一下低压共源共栅电流镜电路的原理和应用。
1. 共源共栅电流镜的基本结构
低压共源共栅电流镜电路是在MOSFET管的基本结构上添加了一个共栅极的结构。
它由两个MOS管组成，一个是N型MOS管，一个是P型MOS 管。
这两个管的共源电极连接，共栅电极连接，而各自的栅极连接在两端，这也是我们所说的共源共抗电流镜电路的结构。
2. 共源共栅电流镜的原理
在低压共源共栅电流镜电路中，电流是通过各自的源极和共源极流过的，也就是M1和M2中的电流是相等的，而且因为共栅极的存在，M1和M2中的栅压相等，电流是和电压成正比的。
当VGS1>VGS2时，M1中的电流将增加，而M2中的电流将减少，当VGS2>VGS1时，则是M2中的电流增加，M1中的电流减少。
这种反映了这种共源共栅电流镜电路的基本原理，即通过对栅源电压进行调节来控制电流的大小。
3. 低压共源共栅电流镜的应用
低压共源共栅电流镜电路在模拟电路中的应用非常广泛。
它可以作为反相输入级、直流偏置电路和电源放大器电流源等。
还可以在不同的磁通计量设备中使用，例如用作霍尔元件的音频信号放大器或磁通计量放大器，它对于驱动电流和电压的需求都是非常高的，这正是低压共源共栅电流镜电路的优点所在。
总之，低压共源共栅电流镜电路是一种非常有用的模拟电路，在电路设计中被广泛应用。
通过对它的结构和工作原理进行研究，可以对设计出更加高效、可靠的模拟电路提供帮助。
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共源共栅电流镜设计
1.电流源的设计
在共源共栅电流镜中，电流源起到了提供稳定偏置电流的作用。
常见
的电流源设计有两种：单端共源电流源和双端共源电流源。
（1）单端共源电流源：单端共源电流源是一种简单的电流源设计，
适用于需要低功耗和低成本的场合。
它由一个NMOS管和一个电流源组成。
其中，NMOS管的源极连接到地，栅极连接到电流源，漏极接到电流镜的
漏极。
电流源可以采用电流镜、电阻、电容等形式实现。
单端共源电流源
的特点是简单、易实现。
（2）双端共源电流源：双端共源电流源是一种较为复杂的电流源设计，适用于需要高精度和高稳定性的场合。
它由两个NMOS管和一个电流
源组成。
其中，NMOS管的源极均连接到电流源，栅极分别连接到两个电
流镜的输出。
电流源可以采用电流镜、电阻、电容等形式实现。
双端共源
电流源的特点是精度高、稳定性好。
2.电路的增益
（1）增加栅极电压：增加栅极电压可以提高电流镜的传导效率，从
而增大电路的增益。
但是，过大的栅极电压会导致电流镜进入饱和区，从
而出现非线性失真的问题。
（2）调整电流镜的尺寸：通过调整电流镜的尺寸，可以改变电流镜
的传导能力，从而达到调整增益的目的。
增大电流镜的尺寸可以增大电路
的增益，但是需要注意电流镜的面积不能过大，否则会影响电路的稳定性。
3.电路的稳定性
稳定性是共源共栅电流镜设计中需要特别关注的问题，主要包括温度稳定性和工作点稳定性。
（1）温度稳定性：在设计共源共栅电流镜时，需要考虑电流源和电流镜的温度变化对电路性能的影响。
为了提高温度稳定性，可以采用温度补偿电路或调整电流源的设计。
（2）工作点稳定性：共源共栅电流镜的工作点稳定性主要受电流源和电流镜的参数变化影响。
为了提高工作点稳定性，可以采用反馈电路、电流源调整电路等方式进行控制。
综上所述，共源共栅电流镜是一种常见的差动放大电路，设计时需要考虑电流源的设计、电路的增益和稳定性等方面。
通过合理调整电流源、电流镜的尺寸和栅极电压，以及采用温度补偿电路和反馈电路等方式，可以实现共源共栅电流镜的设计。