CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 第3章 放大器的电流偏置

第3章放大器的电流偏置主讲：1通过雨课堂做题，检查回顾第2章主要内容2第2章内容回顾哪个是PMOS器件的符号？左图右图AB提交单选题1分哪个是NMOS器件的符号？左图右图AB提交G单选题1分MOS管导通时，沟道里一定会产生电流，对吗？对错AB提交单选题1分NMOS器件的I/V特性端口电压条件工作区电流ID截止区且

三极管区或线性区且

饱和区下列说法正确的是当VGS<VTH时，NMOS器件截止，也就是不导通当VGS>VTH时，NMOS器件导通，但ID可能为0.当VGS>VTH时，NMOS器件导通，且工作在线性区当VGS>VTH时，NMOS器件导通，且工作在饱和区ABCD提交多选题1分

Ch.2#8NMOS管的电流公式截止区，VGS<VTH三极管区（线性区）,VGS>VTH，VDS<VGS-VTH饱和区,VGS>VTH，VDS>VGS-VTHVGSVDSVTHVGS-VTH三极管区饱和区截止区器件呈现平方律特性

Ch.2#9MOSFET的跨导gm跨导gm代表了器件的灵敏度。

gm大，VGS微小的改变可引起ID产生大的变化。下列关于体效应，说法正确的有源衬电压差VSB不为0，即会引起体效应体效应会引起阈值电压的变化体效应会引起MOS器件中电流变化体效应对电路没有影响ABCD提交多选题1分λ为沟长调制效应系数，若电路中NMOS器件沟道长度L=1um时，λ=0.1，则当L=0.5um时，λ=

[填空1]

。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题1分

Ch.2#12MOS低频小信号模型(a)基本MOS小信号模型(b)用独立电流源来表示沟道长度调制效应(c)用电阻来表示沟道长度调制效应(d)体效应用独立电流源表示13学习导航（第1次课）（第2次课-1）（第2次课-2）实验三任务驱动【任务3-1】完成基本电流镜电路的设计14图3.0-1贯穿项目设计之电流偏置设计主要内容学习目标3.1预备知识3.2从电流偏置开始设计放大器3.3用电流镜复制基准电流3.3.1基本电流镜是如何工作的3.3.2PMOS基本电流镜和组合电流镜3.3.3基本电流镜的设计顺序3.4电流复制的误差因素与改善方法3.4.1沟道长度调制效应导致的电流复制误差及其改善方法3.4.2MOS管的不匹配导致的电流复制误差及其改善方法3.5基准电流的生成3.5.1简单电流基准的设计顺序3.5.2与电源电压无关的电流基准3.5.3与温度无关的基准15【目标3-1】掌握基本电流镜的工作原理和设计步骤【目标3-2】掌握电流复制误差的来源以及相应的改善策略 【目标3-3】了解产生基准电流的方法和电路实现，深入理解电源电压独立的电流基准以及温度变化对其的影响。3.1预备知识电流源的模型及其电流电压特性如图3.1-1所示。对于理想电流源，由于其内阻RN为无穷大，输出电流IO与端口电压VL无关而对于实际电流源，由于内阻RN有限，输出电流IO随端口电压VL的变化而变化。因此，对于实际电流源，其内阻RN越大，其特性越接近于理想电流源。163.2从电流偏置开始设计放大器如何从零开始设计一个满足所有指标要求的差分放大器呢？首先满足其中某一个关键指标是理清思路并简化设计的关键功耗、增益、带宽等等首先满足功耗指标是一个便于理解的方式在已知电源电压的条件下，功耗的大小取决于电流的大小173.2从电流偏置开始设计放大器放大器的总电流由第1-5路电流所决定第1路电流由电流源产生。此电流源被称为“基准电流”“电流镜”将第1路的电流复制到第2-5路中183.3用电流镜复制基准电流基准电流源将基准电流源作为“基准”，镜像复制基准电流l产生其他支路的电流，称为“电流镜”193.3用电流镜复制基准电流

3.3.1基本电流镜是如何工作的将基准电流源的电流复制，产生其他支路电流的电路，称为“电流镜”MN2

能够复制基准电流IREF，并将其扩大N倍，以便为目标电路供应所需的电流。203.3用电流镜复制基准电流

3.3.1基本电流镜是如何工作的分析讨论21图3.3-2图3.3-13.3用电流镜复制基准电流

3.3.1基本电流镜是如何工作的基本电流镜的工作条件分析1：MN2的工作条件应确保其始终处于饱和状态，以实现作为电流源的功能分析2：MN1需要满足什么工作条件呢？MN1满足导通条件22只要保证MN2满足饱和区的条件，基本电流镜即可正常工作3.3用电流镜复制基准电流

3.3.1基本电流镜是如何工作的用基本电流镜提供多路电流233.3用电流镜复制基准电流

3.3.2PMOS基本电流镜和组合电流镜贯穿项目中的MP1和MP2就组成了一个PMOS的基本电流镜此电流镜的工作条件是保证MP2处于饱和区，即：2425图3.3-5组合电流镜工程问题3.3-2：图3.3-5中流经MP2的电流是多少？3.3用电流镜复制基准电流

3.3.2PMOS基本电流镜和组合电流镜3.3用电流镜复制基准电流

3.3.3基本电流镜的设计顺序模拟集成电路设计方法第一阶段：根据电路的功能和工作条件确定合适的电路结构--------------最难第二阶段：根据已知条件，选择合理的方式确定电路元器件尺寸的初始值第三阶段：利用EDA工具对电路进行验证，并根据验证结果调节元器件尺寸，使电路满足所有设计指标。263.3用电流镜复制基准电流

3.3.3基本电流镜的设计顺序如何设计一个如图3.3-1中所示的基本电流镜（确定MN1和MN2的W和L）呢？基本电流镜的设计顺序在满足总消耗电流指标的情况下，

给各支路合理分配电流；选取一个合适的

值根据MOS管的电流公式，计算各MOS管的W/L值2728设计：设置初始参数：工程问题3.3-3:假设图中所示的基本电流镜的总消耗电流是160μA，完成其电路设计并进行仿真验证。3.3用电流镜复制基准电流

3.3.3基本电流镜的设计顺序29仿真验证工程问题3.3-3:假设图中所示的基本电流镜的总消耗电流是160μA，完成其电路设计并进行仿真验证。3.3用电流镜复制基准电流

3.3.3基本电流镜的设计顺序回顾贯穿项目（图3.2-1）中的电路如何在放大器整体的设计中将电流合理地分配给此电流镜的各个支路呢？第一种分配方案是简化设计，平均分配各个支路电流第二种分配方案是考虑电流在各个支路的作用30Iamp/20Iamp/203.4电流复制的误差因素与改善方法

3.4.1沟道长度调制效应导致的电流复制误差及其改善方法31当MN1和MN2的VDS不相等时，基本电流镜的确会产生电流复制的误差。从公式可以看出，只要能够尽量减少VDS的差值，或者减小参数λ，此误差就能够被改善。因此，便引出了两种降低沟道长度调制效应导致的电流复制误差的方法。3.4电流复制的误差因素与改善方法

3.4.1沟道长度调制效应导致的电流复制误差及其改善方法321.增大MOS管的L，从而减小λ。从第2章的参数表2.8-1中可以看出，随着MOS管L值的增大，λ逐渐减小，因此可

以用较大的L值来减小电流复制误差。图3.4-1仿真得到的工程问题3.3-3中所设计的电流镜的电流复制特性工程问题3.3-3中所设计的电流镜保持W/L比不变，将L在1μm到5μm、VDS2在0.2V到1.8V的范围内进行扫描当L超过3μm后，进一步增加L的值，IERR的改善程度并不明显。因此，从电流复制误差和芯片面积的折中角度来看，L的值取3μm是比较合理的值。3.4电流复制的误差因素与改善方法

3.4.1沟道长度调制效应导致的电流复制误差及其改善方法332.改进电流镜的结构，使减小因为电流镜的电流主要是由IREF和MN2、MN1的宽长比的比值决定，所以流过MNC1和MNC2电流分别是IREF和NIREF（有略微的复制误差）。当MNC2和MNC1的宽长比之比同样是N时，二者的栅源电压VGS,MNC1和VGS,MNC2几乎相等。又因为MNC1和MNC2的栅极连接于同一电位，可以推出MNC1和MNC2的源极电压非常接近。换而言之，MN1和MN2的漏极电压几乎相等，VDS1和VDS2差值将十分微小。共源共栅电流镜34共源共栅电流镜的改善效果从图中可以看出，当MNC2的漏级电压VD,MNC2大于0.7V时，由沟道长度调制效应导致的电流复制误差得到了显著的改善。而当VD,MNC2小于0.7V时，电流复制误差并未被改善。这是由于此时MNC2无法工作在饱和区所导致的。图3.4-3基本电流镜和共源共栅电流镜的电流复制误差的仿真结果对比3.4电流复制的误差因素与改善方法

3.4.1沟道长度调制效应导致的电流复制误差及其改善方法为了保证尽量小的VD,MNC2电压值，应该让MNC1和MNC2工作在导通电压的边缘，即让VGS,MNC1-VTH接近于0。3.4电流复制的误差因素与改善方法

3.4.2MOS管的不匹配导致的电流复制误差及其改善方法35MOS管的不匹配同样也会导致电流的复制误差。在MOS管的版图设计中，要求匹配的MOS管必须要有相同的形状和尺寸，否则在制造过程中将有可能出现较大的误差。（a）MN1的版图，（b）保持L不变，W扩展为NW，（c）保持W和L都不变，Finger数设置为N，（d）N个Multiplier单元MOS管实现NW源漏共用讨论：如何产生分数比的电流？采用相同尺寸的单元MOS管组合产生需要的电流比36（a）参考端并联，（b）输出端串联图3.4-5两种产生分数比电流的电流镜结构3.5基准电流的生成3.5.1简单电流基准的设计顺序37如何产生IREF呢？图3.5-1使用电阻产生基准电流若电源电压VDD变化ΔVDD？在集成电路设计中，工艺（P）、电源电压（V）、温度（T）的波动都会引起电路的性能变化38IREF通过某种形式由IOUT生成，而IOUT又在某种形式上由IREF产生。图3.5-2展示了一个能够实现该思想的电路，其中MP1和MP2复制IOUT以确定IREF，MN1和MN2则根据IREF来复制IOUT。这种互相复制的过程并非必须是1:1的比例，我们可以通过改变MOS管的尺寸来调整。如果忽略沟道长度调制效应，我们可以得到理想的电流复制关系。具体的电流值则可以是任意的3.5基准电流的生成3.5.2与电源电压无关的电流基准为了唯一确定电流值，对电路加入另一个约束39图3.5-3产生与电源电压无关的确定基准电流的电路该电路产生的基准电流IREF与电源电压VDD的相关性很小假设可得3.5基准电流的生成3.5.2与电源电压无关的电流基准设计与电源电压无关的电流基准，K=4，ITOTAL=10uA作答主观题10分413.启动电路在电源上电时能驱使电路摆脱但是在基准电流源正常工作时候，启动电路又像隐身了一般，不影响电路工作。

在上电时，二极管连接的器件MP1、MN3、MN1提供了从VDD到地的电流通路。所以，MP1、MN1、MP2和MN2都不会保持关断。为了保证在电路正常工作后，启动电路MN3隐身，不影响基准电路，需要满足3.5基准电流的生成3.5.2与电源电压无关的电流基准42工作温度范围，是电路正常工作时能保证各项参数在允许误差范围内的温度范围温度系数（或称温度漂移系数）是指基准电流源的输出电流或基准电压源的输出电压随温度变化而变化的速率-25oC至85oC工作温度范围内其典型温度系数为25ppm/oC某电流基准源REF2XX带隙基准3.5基准电流的生成3.5.3与温度无关的基准3.6电流镜仿真43

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1、在EDA软件中绘制基本的电流镜的电路图并搭建DC仿真环境，3.6电流镜仿真

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2、DC扫描变量设置。将图3.6-1中的V0的DC电压更改成名为VDSx的变量，3.6电流镜仿真

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3、

配置DC仿真参数点击Tools→MDEL2，打开空白的MDEL2仿真参数配置页面选择Analysis→Add/ModifyAnalysis，弹出如图3.6-3的分析方式选择页面。在分析方式选择页面中设置即将被扫描的变量名以及扫描的方式和范围，按图中所示，选择合适的分析选项后点击OK按钮。3.6电流镜仿真

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4、配置输出参数在MDEL中点击Outputs→SelectFromDesign选项，原理图中点击需要观察的电流节点。可以在Outputs页面右键，利用AddExpression增加更多的需要观察的变量（可利用calculator中的op函数）。3.6电流镜仿真47

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5、配置仿真条件如图3.6-5的仿真模型设置窗口中，可检查或添加仿真所