第5章无源和有源电流镜演示幻灯片.ppt

1模拟集成电路原理模拟集成电路原理第第5 5章章 无源与有源电流镜无源与有源电流镜董刚董刚微电子学院微电子学院2本讲本讲 电流镜电流镜q基本电流镜基本电流镜q共源共栅电流镜共源共栅电流镜q有源电流镜有源电流镜v电流镜做负载的差分放大器电流镜做负载的差分放大器大信号特性大信号特性小信号特性小信号特性共模特性共模特性3明确几个概念明确几个概念q电流源电流源vCurrent sourceCurrent sourceq电流沉电流沉vCurrent sinkCurrent sinkq电流镜电流镜vCurrent MirrorCurrent Mirrorq无源电流镜无源电流镜vPassive Current MirrorPassive Current Mirrorv用做产生直流偏置电流时用做产生直流偏置电流时q有源电流镜有源电流镜vActive Current MirrorActive Current Mirrorv象有源器件一样用作小信号处理时象有源器件一样用作小信号处理时q“有源有源/无源电流镜无源电流镜”概念仅在概念仅在RazaviRazavi书中出现书中出现4本讲本讲 电流镜电流镜q基本电流镜基本电流镜q共源共栅电流镜共源共栅电流镜q有源电流镜有源电流镜v电流镜做负载的差分放大器电流镜做负载的差分放大器大信号特性大信号特性小信号特性小信号特性共模特性共模特性5电流源电流源qAICAIC中经常需要电中经常需要电流源流源q对电流源的期望对电流源的期望v电流值能由设计者电流值能由设计者方便地设定在某一方便地设定在某一期望值，并且电流期望值，并且电流值的偏差能被控制值的偏差能被控制在一定范围内在一定范围内电流值往往会随工电流值往往会随工艺、电源、温度等艺、电源、温度等变化而变化变化而变化v电阻、电容、噪声电阻、电容、噪声等等q如何电路实现并可如何电路实现并可设、精确、稳定？设、精确、稳定？6基于电阻分压的电流源基于电阻分压的电流源q电流值对工艺、电源、温度等变电流值对工艺、电源、温度等变化敏感化敏感v不同芯片阈值偏差可达不同芯片阈值偏差可达100mV100mVv n n 、V VTHTH随温度变化随温度变化q输出电压范围输出电压范围v大于大于M1M1管的管的V VOVOV即可即可q为了输出电压范围较大，为了输出电压范围较大，V VOVOV取取典型值典型值200mV200mVv若若V VTHTH改变改变50mV50mV，则，则I IOUTOUT改变改变4444评价：评价：电流值无法精电流值无法精确、稳定，很难实用确、稳定，很难实用7基于基准电流的电流源原理基于基准电流的电流源原理qI IREFREFv基准电流基准电流v由专门的电路来产生，如带隙基准源等由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第（第1111章）章），是一个重要、活跃的研究领域是一个重要、活跃的研究领域v基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺偏差、温度变化等不敏感）偏差、温度变化等不敏感）q基于基于I IREFREF，“复制复制”产生所需各电流产生所需各电流v常用复制方法是先把常用复制方法是先把I IREFREF转换为电压，在由该电压转换为电压，在由该电压转换为电流转换为电流8基本电流镜等量复制基本电流镜等量复制镜面镜面基本电流镜基本电流镜I Ioutout也可以不等于也可以不等于I IREFREF忽略了忽略了 的影响（会影响复制精度）的影响（会影响复制精度）9基本电流镜比例复制基本电流镜比例复制设计者通过合理设计设计者通过合理设计M1M1和和M2M2管的尺寸比，管的尺寸比，即可获得期望的电流即可获得期望的电流若若I IREFREF精准、稳定，合理设计精准、稳定，合理设计M1M1管和管和M2M2管的尺寸和位置，管的尺寸和位置，使它们的使它们的V VTHTH、n n、C COXOX等工艺参数匹配度高、等工艺参数匹配度高、W/LW/L比值比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的I Ioutout10基本电流镜在差分放大器中的应用基本电流镜在差分放大器中的应用高输出摆幅、高增益的二极管接法高输出摆幅、高增益的二极管接法MOSMOS管做负载管做负载的差分放大器的差分放大器11高输出摆幅的差分放大器高输出摆幅的差分放大器见教材见教材P104P104，图，图4.334.3312单级共源放大器单级共源放大器M1M1管偏置在饱和区，漏电流为管偏置在饱和区，漏电流为I I1 1，I IS S=0.75I=0.75I1 1若要求若要求A Av v=-10=-10，当，当V VOV1OV1=200mV=200mV、V VTHTH=0.7V=0.7V时，时，V VSG2SG2=1.2V=1.2V。若。若V VDDDD=3.3V=3.3V，则，则V Voutout不能大于不能大于2.1V2.1V提高输出摆幅提高输出摆幅13电流镜中晶体管的电流镜中晶体管的L L通常设计为相同通常设计为相同为什么取为什么取L1=L2L1=L2？横向扩散和场横向扩散和场氧化层侵蚀会氧化层侵蚀会使使L Leffeff L Ldrawndrawn、WWeffeff WWdrawndrawn14电流镜中晶体管的电流镜中晶体管的L L通常设计为相同通常设计为相同当当L L1 1=L=L2 2时时当当L L1 1 L L2 2时时结论：结论：取取L1=L2L1=L2，便于，便于获得期望的精确获得期望的精确电流值电流值15电流镜中晶体管的电流镜中晶体管的WW的取值方法的取值方法当当WW1 1=W=W2 2时时当当WW1 1 WW2 2时时取取WWdrawn1drawn1=mW=mWcellcell，WWdrawn2drawn2=nW=nWcellcell，m m、n n为整数为整数电流复制精度取决电流复制精度取决于于WW之间的比值之间的比值通过多个单元晶体管通过多个单元晶体管并联实现并联实现M1M1和和M2M216电流镜中晶体管的电流镜中晶体管的WW的取值方法的取值方法17基本电流镜的不足基本电流镜的不足电流复制误差较大，受电流复制误差较大，受 影响影响沟道长度小时，误差会很大沟道长度小时，误差会很大第二项由第二项由工艺决定工艺决定通常通常V VDS2DS2都不等于都不等于V VDS1DS1，导致误差，导致误差解决方法：解决方法：采用共源共栅结构，采用共源共栅结构，提高输出电阻提高输出电阻18本讲本讲 电流镜电流镜q基本电流镜基本电流镜q共源共栅电流镜共源共栅电流镜q有源电流镜有源电流镜v电流镜做负载的差分放大器电流镜做负载的差分放大器大信号特性大信号特性小信号特性小信号特性共模特性共模特性19原理原理合理设计合理设计V Vb b的的值，使值，使V VY Y=V=VX X，则则I Ioutout可以非常接近可以非常接近I IREFREF，并且，并且I Ioutout对对V VP P变化不敏感变化不敏感因为共源共栅级能屏蔽因为共源共栅级能屏蔽V VP P对对V VY Y的影响的影响代价：代价：牺牲了输出电压摆幅牺牲了输出电压摆幅没有没有M3M3管时：管时：有有M3M3管时：管时：如何产生如何产生V Vb b？20共源共栅级的屏蔽特性共源共栅级的屏蔽特性V Voutout端有端有 V Voutout的电压跳变时，表现在的电压跳变时，表现在X X点的电压跳变很点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响小，屏蔽了输出节点对输入管的影响X XX X21V Vb b产生方法产生方法使使V VY Y=V=VX X对对V Vb b有什么要求？有什么要求？只要只要V VGS0GS0=V=VGS3GS3，即可，即可V VX X=V=VY Y 只需只需(W/L)(W/L)3 3/(W/L)/(W/L)0 0=(W/L)=(W/L)2 2/(W/L)/(W/L)1 122V Vb b产生方法（续）产生方法（续）只要只要V VGS0GS0=V=VGS3GS3，即可，即可V VX X=V=VY Y 只需只需(W/L)(W/L)3 3/(W/L)/(W/L)0 0=(W/L)=(W/L)2 2/(W/L)/(W/L)1 1有体效应时亦成立有体效应时亦成立23大信号特性大信号特性M2M2管开始退管开始退出饱和区，输出饱和区，输出电阻开始大出电阻开始大幅度下降幅度下降M3M3管开始退管开始退出饱和区出饱和区考察考察V Vx x逐渐下逐渐下降的过程降的过程24输出摆幅问题输出摆幅问题q优点优点v提高了输出电阻，提高了输出电阻，从而提高了电流从而提高了电流复制精度高复制精度高q缺点缺点v降低了输出摆幅降低了输出摆幅如何提高输如何提高输出摆幅？出摆幅？25提高输出摆幅提高输出摆幅q提高方法提高方法v降低降低V Vb b的值的值q原理原理要保证要保证M1M1和和M2M2都工作在饱和都工作在饱和区，需要区，需要V Vb b满足：满足：输出电压的最小值：输出电压的最小值：V Vb b取最小允许值时，取最小允许值时，V Vout,minout,min最小，输出摆幅此时最大最小，输出摆幅此时最大 V Vb b的最小值为：的最小值为：在提高摆幅的同时，仍有在提高摆幅的同时，仍有V VA A=V=VB B，仍可保证高精度复制电流，仍可保证高精度复制电流26V Vb b的产生方法的产生方法 对对V Vb b的要求：的要求：合理设计合理设计I I1 1、(W/L)(W/L)5 5和和R Rb b的的值，可以得到期望的值，可以得到期望的V Vb,minb,min实际设计时要留出一定余量，实际设计时要留出一定余量，以确保以确保M1M1、M2M2能可靠地工作能可靠地工作在饱和区在饱和区27本讲本讲 电流镜电流镜q基本电流镜基本电流镜q共源共栅电流镜共源共栅电流镜q有源电流镜有源电流镜v电流镜做负载的差分放大器电流镜做负载的差分放大器大信号特性大信号特性小信号特性小信号特性共模特性共模特性28有源电流镜有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜29有源电流镜做负载的差分放大器有源电流镜做负载的差分放大器重要作用：重要作用：将差分输入转换成单端输出将差分输入转换成单端输出30大信号特性大信号特性完全对称时：完全对称时：很少在开环下用来放大信号，很少在开环下用来放大信号，V Voutout很难由设计者设定很难由设计者设定31小信号特性差分增益小信号特性差分增益不能用半电路法分析该电路不能用半电路法分析该电路因为因为P P点不能当做交流地点不能当做交流地从从V Vin in到到V VX X和和V VY Y的增益差别的增益差别很大，很大，V VX X和和V VY Y的摆幅差别的摆幅差别很大，使得很大，使得V VX X和和V VY Y对对V VP P的作的作用不能互相抵消用不能互相抵消求差分增益求差分增益A Av v？方法一：方法一：求出等效跨导求出等效跨导G Gm m和输出电阻和输出电阻R Routout即得到即得到A Av v 方法二：方法二：用戴文宁定理等效输入信号后计算用戴文宁定理等效输入信号后计算 32方法一方法一G Gm m的计算的计算求求G Gm m：将输出端接地，计算：将输出端接地，计算i ioutout/v/vin in即可即可在输出端接地情形时，在输出端接地情形时，P P点可看作交流地点可看作交流地33方法一方法一R Routout的计算的计算为什么为什么R RXYXY等等于于2r2rO1,2O1,2?画出小信号等效画出小信号等效电路仔细推导电路，仔细推导一下即可一下即可34方法一差分增益方法一差分增益35方法二戴文宁等效方法二戴文宁等效36方法二戴文宁等效方法二戴文宁等效如何求如何求V Veqeq和和R Reqeq?画出小信号等效电路，画出小信号等效电路，仔细推导一下即可仔细推导一下即可37方法二戴文宁等效方法二戴文宁等效画出小信号等效电路，推导得：画出小信号等效电路，推导得：与方法一结果同与方法一结果同38小信号特性共模增益小信号特性共模增益定义单端输出的差分放大定义单端输出的差分放大器的共模增益为：器的共模增益为：由于电路对称，对于任由于电路对称，对于任何何V Vin,CMin,CM，均有，均有V VF F=V=VX X所以，在分析共模增益所以，在分析共模增益时可将时可将V VF F与与V VX X短接短接39小信号特性共模增益小信号特性共模增益带源极负反带源极负反馈的放大级馈的放大级即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变化；即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变化；高频时高频时R RSSSS减小，更严重影响差分放大器性能减小，更严重影响差分放大器性能40小信号特性小信号特性CMRRCMRR41小信号特性存在失配时的共模增益小信号特性存在失配时的共模增益M1M1和和M2M2因失配导致跨导不一样因失配导致跨导不一样计算思路：计算思路：由由v vin,CMin,CM求出求出v vP P；再计算；再计算i iD1D1和和i iD2D2；由；由i iD1D1求求出出i iD4D4；i iD2D2和和i iD4D4之差乘以输出阻抗，即为之差乘以输出阻抗，即为v voutout42总结总结q对电流源的要求对电流源的要求v可调、精确、稳定可调、精确、稳定v基于基于I IREFREF用电流镜的得到所需电流用电流镜的得到所需电流q基本电流镜基本电流镜v合理设计尺寸比可获得期望电流合理设计尺寸比可获得期望电流v沟道长度调制效应引起精度降低沟道长度调制效应引起精度降低q共源共栅电流镜共源共栅电流镜v提高了输出电阻，实现了高精度提高了输出电阻，实现了高精度v牺牲了输出电压摆幅牺牲了输出电压摆幅43总结总结q电流镜做负载的差分放电流镜做负载的差分放大器大器v将差分输入转换为单端将差分输入转换为单端输出输出v差分增益差分增益v共模增益会影响差分放共模增益会影响差分放大器性能；高频时、存大器性能；高频时、存在失配时更严重在失配时更严重44作业作业q5.35.3，5.65.6，5.85.8v应用本章内容应用本章内容