无源与有源电流镜.ppt

模拟CMOS集成电路设计： 时 间：2009年12月10日,韩 可 电子工程学院,Email: Tel : 62283724,第5章 无源与有源电流镜,5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 有源电流镜,电流镜的应用,单级放大器 差动放大器 数字-模拟转换器 使用电流镜阵列产生与数字输入成正比的模拟输出 本章主要内容: 基本电流镜 共源共栅电流镜 有源电流镜及其作为负载的差动对特性,Ch. 5 # 4,简单偏置的电流源,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。,例如，若Von1200mV，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?,M1工作在饱和区,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？,基准电流的简单“复制”,施加到下一个电路上,基准电流的简单“复制”,基本电流镜,基本电流镜中，若不考虑沟道调制效应：,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。,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。,例5.1,若所有晶体管都工作在饱和区,求M4 的漏电流 （P115）,Ch. 5 # 9,电流镜运用举例(为差动放大器偏置的电流镜),例5.2,计算电路中的小信号增益 M1小信号漏电流gm1Vin 因为Id2=Id1 并且 Id3=Id2(W/L)3/(W/L)2 M3的小信号漏电流等于gm1Vin(W/L)3/(W/L)2 Vout等于RLgm1Vin(W/L)3/(W/L)2 增益RLgm1(W/L)3/(W/L)2,第5章 无源与有源电流镜,5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 有源电流镜,基本电流镜的误差,关于电流镜的说明: 1. LD的存在: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。即增加L，未必使有效沟道长度成倍增加。所以一般增加W,2.前面均不考虑沟道调制效应.,基本电流镜的误差,VDS1=VGS1=VGS2VDS2 确保VDS1=VDS2才能保证精确复制电流源,Iout如何精确复制Iref?,若考虑沟道调制效应,该点电势不等于Vx,基本共源共栅电流镜,选择Vb使VDS1=VDS2即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VGS0VGS3，则VX=VY 。,VbVY+VGS3 VbVX+VGS3来确保VX=VY 。 在Vx上叠加一个栅源电压即可得到,可以利用共源共栅级的屏蔽作用,减少VDS的影响,基本共源共栅电流镜,P点所允许的最小电压由M3工作在饱和态确定。临界饱和时: VPVN-VTH=VGS0+VGS1-VTH =(VGS0-VTH)+(VGS1-VTH)+VTH =VON0+VON1+VTH 共源共栅级的Vb可以比较低，所以“浪费”了一个阈值电压的余度。,具有最小余度电压的共源共栅电流源，可以选择Vb使Vp最小,损耗一定的余度的共栅共源电流镜,对共源共栅极： VPVb-VTH=VGS2-VTH+VGS3-VTH =VON2+VON3,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。 P119,Vx比较大时，均处于饱和区。 而如果Vx下降，假设M2先进入线性区。 VB=VDS2=VGS2-VTH=Von2 VDS2必须下降(VGS2 -VTH),VGS2保持恒定，ID2也下降。,这说明ID3下降时VGS3上升，此种情况下M3必定在线性区。,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 Vx/(gm3r03) , 即VB = VA =VGS1(2), 故当M3刚退出饱和时有:,这比M2和M3同时退出饱和时，VB=VGS1-VTH： VXmin = Von3 +Von2 大了一个开启电压,VTH这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失!,M2退出饱和,M3退出饱和,如果Vx下降，M3先进入线性区。,Von3 = VGS3-VTH,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+VB=Von3+Von2,必须使M2在正常工作时VBVon2(1), 由于VA=VB, 也即VAVon2(1), 然而在基本共源共栅镜中VA=VGS1=Von1+VTH 为减小基本共源共栅电流镜输出摆幅的损失实质上就是减小VA的大小。,低压共源共栅电流镜的原理,右图中所有晶体管都处在饱和区。 则 VB = VA =VGS1(3) -VTH Von1(3), 于是:VXmin=Von4+ VB =Von4+ Von3 比基本共源共栅电流镜减小了一个阈值电压VTH, 所以称之为低压共源共栅电流镜。,图中实际是一个输入输出短接的共源共栅结构。饱和要求： M2饱和：Vb-VTH2Vx(=VGS1) M1饱和：VGS1-VTH1VA(=Vb-VGS2) 则VGS1-VTH1+VGS2Vb VGS1+VTH2,第5章 无源与有源电流镜,5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 有源电流镜,有源电流镜,电流镜也可以处理信号,作为有源器件,IOUT=IIN,具体求解见教材P122页 |Av|=gm2(2rO2)|rO4/2 M1的小信号漏电流被浪费,希望在输出端采用适当的极性来使用该电流,带有源电流镜的差动对,该电路叫做带有源电流镜的差动对，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,也称“有源”负载 M3和M4完全相同,有源负载差动对的大信号分析,基本分析 Vin1Vin2 ,M2截止，M4工作在线性区，Vout=VDD M1可能进入线性区。,有源负载差动对的大信号分析,Voutmin Vin2-Vth2,M2饱和要求:,上式表明小信号时Voutmin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。,特性：静态时(Vin1=Vin2) ,如果电路完全对称,则 VF=Vout=VDD-VGS3 证明如下: 假定VFVout (VDS3VDS2)，ID1ID2, 因ID1=ID3, ID2=ID4, 故ID3ID4, 这与假设矛盾; 反之也成立, 故必有VF=Vout,有源负载差动对的不对称摆幅,Rin=1/gm3,Rin=r04,为理解有源差动对的不对称摆幅, 假定=0, 则流过M1、M2的小信号电流 I/2=gm1（2）Vin/2大小相等,方向相反。,即AXAY,显然AY AX,如何求有源负载差动对的小信号增益？,在有源负载的基本差分对中，因电路非完全对称，P点不再是虚地(为了简化计算，当然也可认为P点是虚地，我们稍后来作个比较)，为了帮助大家更好的理解电路，我们用戴维南定理来求其小信号增益。,Ch. 5 # 27,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 如右图，A/B两点之间简化电路,Ch. 5 # 28,有源负载差动对的小信号增益（2）,由KVL定理(在任一瞬时，从回路中任意一点出发沿回路巡行一周，则在这个回路上的电位降之和等于电位升之和。)，得:,由戴维南定理，显然:,有源负载差动对的小信号增益（3）,将虚框内电路看成一个大节点,由KCL(是电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。)可得:,有源负载差动对的小信号增益（4）,代入,代入,有源负载差动对的小信号增益（5）,有源负载差动对的小信号增益（6）,这就是输出结点的小信号增益！,有源负载差动对的小信号增益（7）,有源负载差动对的小信号增益（8）,Ch. 5 # 35,有源负载差动对的小信号增益（9）,Ch. 5 # 36,利用半电路近似计算 Gm,Ch. 5 # 37,近似计算 Rout,RXY从VX抽取的电流,1:1镜象到M4从VX抽取的电流,Ch. 5 # 38,有源负载差动对的不对称摆幅,Ch. 5 # 39,有源负载差动对的共模特性,共模增益的定义:,VF=Vout则F和X相当于短路,有源负载差动对的共模增益,从源级看进去的阻抗,负载电阻,Ch. 5 # 41,有源负载差动对的CMRR,例 5.7 共模变化是否会带来差模输出的变化,左图中，如果VinCM使每一个输入晶体管的漏电流都产生I的变化，那么ID3、ID4也会有相同的变化，因此M4仿佛提供了M2所需的额外电流，从而输出电压不需要变化，即ACM0。解释这一证明中的不严密性。,例 5.7（续）,ro3=ro4, gm3=gm4该值正好等于结点F的电压变化，这是