集成电路设计与仿真项目教程 课件 项目7 电流镜设计与仿真

集成电路设计与仿真项目教程Agenda项目1集成电路设计认知项目2MOS晶体管认知项目3CMOS反相器设计与仿真项目4静态组合逻辑门设计与仿真项目5时序逻辑门设计与仿真项目6动态逻辑门设计与仿真项目7电流镜设计与仿真项目8单管放大器设计与仿真项目9运算放大器设计与仿真项目10电压基准源设计与仿真2025/7/23011.1基本电流镜结构1.2比例电流镜工作原理1.3电流镜计算基本电流镜理论4.1电压偏置电路4.2偏置电路应用04偏置电路2.1电阻设置电流镜偏置电路2.2有源电阻设置电流镜偏置电路2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路3.1简单共源共栅电流镜电路3.2低压共源共栅电流镜电路3.3低压共源共栅电流镜拓展电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/231.1基本电流镜结构01基本电流镜理论（1）NMOS晶体管电流镜右图所示为一个基本NMOS晶体管组成的电流镜电路，镜像电路的关键就是NMOS晶体管MN1和MN2的尺寸（沟道长度和沟道宽度）相等，此时，VGS1=VDS1=VGS2。因为两个NMOS晶体管MN1和MN2的栅源电压相等，那么这两个晶体管的漏极电流相等。如果晶体管MN1电流通道的参考电流为IREF，那么就可以实现电流镜像，MN2电流通道的镜像电流为IMIRROR，即：IMIRROR=IREF。基本NMOS晶体管电流镜电路（2）PMOS晶体管电流镜右图所示为一个基本PMOS晶体管组成的电流镜电路，PMOS晶体管MP1和MP2的尺寸相等，此时，VGS1=VDS1=VGS2。两个PMOS晶体管MP1和MP2的栅源电压相等，那么这两个晶体管的漏极电流相等。晶体管MP1电流通道的参考电流为IREF，那么MP2电流通道的镜像电流为IMIRROR，即：IMIRROR=IREF。项目7电流镜设计与仿真2025/7/23基本PMOS晶体管电流镜电路1.2比例电流镜工作原理01基本电流镜理论图中所示为一个NMOS晶体管组成的比例电流镜电路。比例电流镜项目7电流镜设计与仿真2025/7/23NMOS晶体管比例镜像电路的输出电流IOUT与参考电流IREF的比值取决于这两个晶体管的宽长比。PMOS晶体管比例镜像公式与NMOS晶体管比例镜像公式一样。工作原理：1.3电流镜计算01基本电流镜理论（1）比例电流镜计算如图所示为NMOS晶体管比例电流镜电路，参考电流IREF=10μA，NMOS晶体管MN1的宽长比为10/1、MN2的宽长比为20/1、MN3的宽长比为50/1、MN4的宽长比为10/2。说明：本书中所涉及MOS晶体管的宽长比即为真实尺寸，单位为μm。如宽长比为10/1，即：宽度为10μm，长度为1μm。根据比例镜像公式可以计算出晶体管MN2的漏极电流IOUT2为20μA、MN3的漏极电流IOUT3为50μA、MN4的漏极电流IOUT4为5μA。NMOS晶体管比例电流镜项目7电流镜设计与仿真2025/7/231.3电流镜计算01基本电流镜理论（2）电流镜设计1）NMOS晶体管电流镜。如图所示为一个电流镜电路，电源电压VDD=1.8V，NMOS晶体管MN1和MN2的宽长比都为10/1。NMOS电流镜设计电路图项目7电流镜设计与仿真2025/7/23MOS晶体管参数如表所示。忽略沟道长度调制效应，现在要求输出漏极电流IOUT=40μA，计算参考基准电流IREF和电阻R的值。NMOSPMOSVTHN0.419VVTHP-0.424VμnCOX=KPN242μA/V2μpCOX=KPP58μA/V2首先根据比例电流镜公式，可知IREF=40μA。在参考电流IREF通道上，有电阻R和NMOS晶体管MN1构成的有源电阻串联组成，根据欧姆定律可知，有式：MOS晶体管参数再根据NMOS晶体管漏极电流方程有式：根据前面两个方程式和可求出电阻R的值约为30KΩ，VGS1=0.6V。1.3电流镜计算01基本电流镜理论（2）电流镜设计2）PMOS晶体管电流镜。如图所示为一个电流镜电路，电源电压VDD=1.8V，PMOS晶体管MP1和MP2的宽长比都为10/1。PMOS电流镜设计电路图项目7电流镜设计与仿真2025/7/23MOS晶体管参数如表所示。忽略沟道长度调制效应，现在要求输出漏极电流IOUT=40μA，计算参考基准电流IREF和电阻R的值。NMOSPMOSVTHN0.419VVTHP-0.424VμnCOX=KPN242μA/V2μpCOX=KPP58μA/V2首先根据比例电流镜公式，可知IREF=40μA。在参考电流IREF通道上，有电阻R和PMOS晶体管MP1构成的有源电阻串联组成，根据欧姆定律可知，有式：MOS晶体管参数再根据PMOS晶体管漏极电流方程有式：根据前面两个方程式和可求出电阻R的值约为20KΩ。2.1电阻设置电流镜偏置电路02电流镜偏置电路电流镜的参考基准电流可以用电阻来设置，如图（a）所示为一个电阻设置电流镜偏置电路，这个电路存在一个问题：当电源电压VDD变化时，基准电流也会随着VDD的变化而变化，不能保持恒定的电流，如图（b）所示为仿真图。项目7电流镜设计与仿真2025/7/23电阻设置电流镜偏置电路在图中，如果使用一个40μA恒流源替代30KΩ的电阻，那么输出电流IOUT基本保持恒定。由此可见，电阻设置电流镜偏置电路，输出电流会随着电源电压的变化而变化。2.2有源电阻设置电流镜偏置电路02电流镜偏置电路电流镜的参考基准电流也可以用有源电阻来设置。如图（a）所示为一个NMOS晶体管MN1栅漏短接构成有源电阻来设置电流镜偏置电路；如图（b）所示为一个PMOS晶体管MP1栅漏短接构成有源电阻来设置电流镜偏置电路。项目7电流镜设计与仿真2025/7/23有源电阻设置电流镜偏置电路有源电阻设置偏置基准电流也存在一个问题：当电源电压VDD变化时，基准电流也会随着VDD的变化而变化，不能保持恒定的电流，如图所示为仿真图。2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路（1）工作原理电阻和有源电阻作为基准设置电流镜偏置电路，它们的输出基准电流都存在随电源电压变化而变化的问题，因此需要设计一个电路实现基准电流与电源电压无关。如图所示为一个电源电压无关的自偏置电流基准电路，

它的工作原理叙述如下：项目7电流镜设计与仿真2025/7/23自偏置电流基准电路NMOS晶体管MN1、MN3组成电流镜电路，要使得NMOS晶体管MN2也可以镜像MN1的参考电流IREF，增加PMOS晶体管MP1、MP2构成的电流镜电路，强迫使流过MN1和MN2的漏极电流相等都为IREF。这种电路结构称为自偏置结构。2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路（1）工作原理：项目7电流镜设计与仿真2025/7/23自偏置电流基准电路2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路（1）工作原理：项目7电流镜设计与仿真2025/7/23自偏置电流基准电路2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路（1）工作原理：项目7电流镜设计与仿真2025/7/23自偏置电流基准电路由式（7.15）可知，基准电流IREF与电源电压VDD无关。当K=4时，即：晶体管MN2宽度W2是晶体管MN1宽度W1的4倍，电流IREF=40μA、晶体管MN1宽长比为10/1时，可计算出电阻R=2.1KΩ。这个电路称为β倍增（BetaMultiplier）基准电路。2.3自偏置电流基准电路02电流镜偏置电路（2）启动电路自偏置电路有一个缺点：在电路上电工作的时候，有可能所有的晶体管没有导通，电路工作进入不了饱和区，电路中没有电流。因此需要设计一个启动电路，使自偏置电路可以正常工作。如图所示为一个带有启动电路的自偏置电流基准电路，虚线框中为启动电路。项目7电流镜设计与仿真2025/7/23带有启动电路的自偏置电流基准电路工作过程叙述如下：当自偏置电流基准电路中没有电流时，NMOS晶体管MN3不导通，PMOS晶体管MP3栅漏短接作为有源电阻，因此MP3的漏源电压为VDD，即NMOS晶体MN4的栅极为VDD，MN4导通，电流从VDD经过PMOS晶体管MP1，流过MN4，进入自偏置电流基准主电路，启动完成。一旦启动完成，NMOS晶体管MN3导通，MP3有源电阻与MN3导通电阻分压值很小，接近“0”。这个小电压使MN4不导通，从而断开与主电路的联系，启动结束。把自偏置电流基准电路封装成一个Symbol，方面后面电路调用。3.1简单共源共栅电流镜电路03共源共栅电流镜电路理想电流源的输出电阻应该是无穷大，单个MOS晶体管的输出电阻为KΩ-MΩ级别，为了增大电流源输出电阻，采用共源共栅（Cascode）结构的电流镜电路，其输出电阻可以增大很多。如图所示为共源共栅电流镜电路，NMOS晶体管MN1和MN2组成的电流镜与对应NMOS晶体管MN3和MN4组成的电流镜以共源共栅结构串联。输出电流IOUT仍然由电流镜MN1和MN2的栅源电压VGS1确定。自偏置基准电路输出VBIASP=1.2V、镜像电流IREF=40μA。

项目7电流镜设计与仿真2025/7/23共源共栅电流镜电路3.2低压共源共栅电流镜电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23共源共栅电流镜节点电压3.2低压共源共栅电流镜电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23低压输出分析3.2低压共源共栅电流镜电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23低压共源共栅电流镜3.3低压共源共栅电流镜拓展电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23Stack共源共栅电流镜（1）StackMOS结构共源共栅电流镜电流镜为了达到优秀的晶体管匹配效果，共源共栅结构电流镜常采用如图所示结构。NMOS晶体管MN1和MN3串联（Stack）替代一个NMOS晶体管，晶体管MN1和MN3分别与晶体管MN2和MN4对应匹配。3.3低压共源共栅电流镜拓展电路03共源共栅电流镜电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23自偏置共源共栅电流镜（2）自偏置共源共栅电流镜常用的低压共源共栅电流镜电路另一种电路可以采用自偏置结构如图（a）所示，电路中串联电阻R，电阻两端的电压分别作为共源共栅电流镜NMOS晶体管MN2、MN4的偏置电压。电阻易受工艺制造偏差的影响，因此，改为MOS晶体管有源电阻如图（b）所示。4.1电压偏置电路04偏置电路项目7电流镜设计与仿真2025/7/23典型的偏置电路模拟电路设计中经常要用到电压偏置电路，本书中的偏置电路如图所示。偏置电路由自偏置基准电流电路和低压共源共栅电路构成，自偏置基准产生一个