Chapter5-无源与有源电流镜

Chapter5

无源和有源电流镜3/17/20241主要内容根本电流镜共源共栅电流镜有源电流镜以电流镜为负载的差动对的特性分析3/17/20242电流源:,输出电流不受负载大小的影响.电压源:,输出电压不受负载大小的影响.5.1根本电流镜1.根本概念电流源、电流镜、有源电流镜★电流源理想电源3/17/20243实际中最简单的电流源:假设VDD、R1、R2为定值,不计M1的沟道长度调制效应,且M1在饱和区时,IoutM1VDDR1R2该恒流源受到电源电压VDD波动的影响、工艺对(R1、R2

VTH、)等参数的影响、温度对(、VTH)的影响,因此恒流效果很差,只是在某些要求极低的地方使用.3/17/20244在模拟电路中,电流源的设计是基于对基准电流的”复制”:怎样产生一个基准电流的复制电流呢?3/17/20245IrefVDDM1M2Iout★电流镜:对参考电流进行拷贝的电路,包括放大、缩小得到的电流源.参考电流与电流源构成电流镜,如以下图所示:M1称为copy电路,M1和M2构成电流镜.3/17/20246★有源电流镜如果上述电流镜中,Iref不是固定的参考电流,而是随输入信号变化的信号电流,那么此电流镜是用于信号处理的,称为有源电流镜.例如:IrefVDDM1M2IoutVinM3其中,M3为信号放大器件,产生的信号电流为:这个电流经过M1的复制,形成Iout这类处理交流信号的电流镜称为有源电流镜.3/17/202472.根本电流镜IrefVDDM1M2IoutM1、M2处于饱和区,假设忽略沟长调制效应,那么可以得到:该电路的特点:可以精确复制电流,不受工艺和温度的影响.3/17/20248CurrentSourceandCurrentSink(电流源与电流沉):IrefVDDM1M2Iout2Iout1M5M4M3Iout1:电流源(从VDD送出电流)Iout2:电流沉(向VSS灌入电流)3/17/202495.2级联电流镜考虑沟长调制效应,那么1.根本电流镜存在的问题所以:此处,而受外部电路的影响,可在很大范围内变化.IrefVDDM1M2Iout(a)3/17/202410A:设置适当的Vb,使得VY＝VX,从而得到精确的镜像.2.改进型电流镜(cascode电流镜)为了获得VDS1＝VDS2的电路结构,改进型电流镜利用cascode结构,如以下图:B:从P点看镜像电流源的输出电阻为那么:因此,,M3器件对Y点起到隔离和保护作用.IrefVDDM1M2IoutM3VbXYP(b)3/17/202411上述电路中需要设计一个电路结构为M3栅极提供偏置,级联的电流镜可以完成这个工作.如以下图:可以得到如果那么,,3/17/2024123.电压余度(voltageheadroom)下面对三种电流镜结构消耗的电压余度进行比较:电压余度:Iout到达稳定时,外部电路所需提供的最小电压.(b)（c）3/17/202413对于图(a),Y点允许的最低电平:对于图(b),P点允许的最低电平:,所以因(b)3/17/202414对于图(c),P点允许的最低电平:因VX，VY等值的要求,,所以:从以上分析可知,a、b、c三种电流镜电路,其镜像准确性、恒流性能,从a到c一个比一个好,但消耗的电压余度一个比一个大.故在设计中不能片面强调哪一个好,而是在多方面进行折中.（c）3/17/2024154.低电压工作cascode电流镜(headroom的改进)在深亚微米电路中,MOS器件的ro较小,需要采用cascode结构来提高恒流源的交流电阻.另一方面,低电源电压工作又要求低的headroom损耗及很好的精度,下面是一设计例子:由左图,M1处于饱和的条件是:或M2处于饱和的条件是:或XABM1M2M4M3IoutVDDVbP3/17/202416或者说M2的过驱动电压应小于一个阈值电压.由上式有必要条件:于是Vb的取值范围是:或如果让M1工作在饱和区边缘,那么可取:在上述偏置下M4漏极最小电位为:XABM1M2M4M3IoutVDDVbP3/17/202417Vb的产生电路:Vb为两个VGS减去一个VTH,可用如下电路:VbVDDPRXM5M6I其中,★改进电路:用一个二极管连接的有源器件M7来替代电阻,假设M7的宽长比非常大,那么满足,因此又有一个产生Vb的电路结构.3/17/2024185.3有源电流镜1.ConceptofActiveCurrentMirrors2.Single-endedoutputDifferentialAmplifierwithCurrentSourceload(c)VbVinVDDVoutM1M3M4M2(a)VbVinVDDVoutM1M4M2(b)3/17/202419利用前面所学到的知识,我们直接作出这三个电路的交流小信号增益的表达式:首先,图(a)的增益〔对称电路〕利用半边电路的概念，我们可以得到电路增益为VbVinVDDVoutM1M3M4M2(a)3/17/202420利用辅助定理M1等效为电阻为的电源,那么M2的输出电阻为其次,图(b)的增益VbVinVDDVoutM1M4M2(b)3/17/202421(c)图的电压增益AV是多少呢?方法一:利用来求电压增益.先求Gm:画出求Gm的等效电路,如以下图所示.3/17/202422求Rout,等效电路如以下图所示:从P点向左看到的等效阻抗为,作为M2的源极负反响电阻.于是从输出端向下看到的等效输出电阻为于是得到总输出电阻为电压增益为3/17/2024233.DifferentialAmplifierwithActiveCurrentMirrorLoad有源电流镜为负载的差分放大器,是结构最简单,能实现单端输出信号的差分放大器,是差分放大器中使用极其广泛的一种差分放大器结构.3/17/202424★大信号特性：当Vin1<<Vin2，M1截止，M3、M4截止，M2、M5导通，但电流为0。这时M5和M2处于深triode区，Vout=0。恒流源电流未启动。1.根本工作原理与大信号分析这里要注意两个问题：a.M4受M3作用，而不是M3受M4作用。b.M3、M4及M1电流为0与M2，M5电流为0，不代表它们的状态一样〔工作区〕。3/17/202425当Vin1接近Vin2时，各MOS管都进入导通状态，Vout上升。当Vin1=Vin2，在对称条件下，当Vin1进一步增加，Vout上升，直至M4进入深Triode，M2截止，Vout=VDD,Vout与Vin1-Vin2关系如以下图：3/17/202426解答:Vout节点电位上升，M4进入Triode区，脱离电流镜像条件，而保持电流连续性(即由Vout上升导致M2电流上升，M4电流下降，维持M2、M4电流平衡)，于是也产生了电压放大，且为正的增益。或者用输出节点对地电容的充放电来解释。3/17/202427由M5饱和状态确定：★共模输入范围其中,为F点输出电平。故共模输入范围为由M1饱和状态确定：3/17/202428(2)小信号分析分析方法:①利用求等效跨导Gm和输出电阻Rout的方法来求取增益.先求:将P点视为交流地，如以下图：3/17/202429接着求Rout：将Vin=0，即M1，M2栅接地.此时等效电路如图(a)所示：晶体管M1和M2的作用可以等效为一个电阻:(a)M3等效为电阻，得到等效电路如图(b)所示：(b)根据等效电路有:3/17/202430故有源电流镜的差分放大器的增益为:可见，镜像电流源负载差分放大器的增益、输出电阻都与简单恒流源负载CS级相同。(b)3/17/202431分析方法:②戴维南等