Chapter5-無源與有源電流鏡

Chapter5

無源和有源電流鏡3/17/20241主要內(nèi)容根本電流鏡共源共柵電流鏡有源電流鏡以電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對的特性分析3/17/20242電流源:,輸出電流不受負(fù)載大小的影響.電壓源:,輸出電壓不受負(fù)載大小的影響.5.1根本電流鏡1.根本概念電流源、電流鏡、有源電流鏡★電流源理想電源3/17/20243實(shí)際中最簡單的電流源:假設(shè)VDD、R1、R2為定值,不計(jì)M1的溝道長度調(diào)制效應(yīng),且M1在飽和區(qū)時(shí),IoutM1VDDR1R2該恒流源受到電源電壓VDD波動(dòng)的影響、工藝對(R1、R2

VTH、)等參數(shù)的影響、溫度對(、VTH)的影響,因此恒流效果很差,只是在某些要求極低的地方使用.3/17/20244在模擬電路中,電流源的設(shè)計(jì)是基于對基準(zhǔn)電流的”復(fù)制”:怎樣產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流的復(fù)制電流呢?3/17/20245IrefVDDM1M2Iout★電流鏡:對參考電流進(jìn)行拷貝的電路,包括放大、縮小得到的電流源.參考電流與電流源構(gòu)成電流鏡,如以下圖所示:M1稱為copy電路,M1和M2構(gòu)成電流鏡.3/17/20246★有源電流鏡如果上述電流鏡中,Iref不是固定的參考電流,而是隨輸入信號變化的信號電流,那么此電流鏡是用于信號處理的,稱為有源電流鏡.例如:IrefVDDM1M2IoutVinM3其中,M3為信號放大器件,產(chǎn)生的信號電流為:這個(gè)電流經(jīng)過M1的復(fù)制,形成Iout這類處理交流信號的電流鏡稱為有源電流鏡.3/17/202472.根本電流鏡IrefVDDM1M2IoutM1、M2處于飽和區(qū),假設(shè)忽略溝長調(diào)制效應(yīng),那么可以得到:該電路的特點(diǎn):可以精確復(fù)制電流,不受工藝和溫度的影響.3/17/20248CurrentSourceandCurrentSink(電流源與電流沉):IrefVDDM1M2Iout2Iout1M5M4M3Iout1:電流源(從VDD送出電流)Iout2:電流沉(向VSS灌入電流)3/17/202495.2級聯(lián)電流鏡考慮溝長調(diào)制效應(yīng),那么1.根本電流鏡存在的問題所以:此處,而受外部電路的影響,可在很大范圍內(nèi)變化.IrefVDDM1M2Iout(a)3/17/202410A:設(shè)置適當(dāng)?shù)腣b,使得VY＝VX,從而得到精確的鏡像.2.改進(jìn)型電流鏡(cascode電流鏡)為了獲得VDS1＝VDS2的電路結(jié)構(gòu),改進(jìn)型電流鏡利用cascode結(jié)構(gòu),如以下圖:B:從P點(diǎn)看鏡像電流源的輸出電阻為那么:因此,,M3器件對Y點(diǎn)起到隔離和保護(hù)作用.IrefVDDM1M2IoutM3VbXYP(b)3/17/202411上述電路中需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路結(jié)構(gòu)為M3柵極提供偏置,級聯(lián)的電流鏡可以完成這個(gè)工作.如以下圖:可以得到如果那么,,3/17/2024123.電壓余度(voltageheadroom)下面對三種電流鏡結(jié)構(gòu)消耗的電壓余度進(jìn)行比較:電壓余度:Iout到達(dá)穩(wěn)定時(shí),外部電路所需提供的最小電壓.(b)（c）3/17/202413對于圖(a),Y點(diǎn)允許的最低電平:對于圖(b),P點(diǎn)允許的最低電平:,所以因(b)3/17/202414對于圖(c),P點(diǎn)允許的最低電平:因VX，VY等值的要求,,所以:從以上分析可知,a、b、c三種電流鏡電路,其鏡像準(zhǔn)確性、恒流性能,從a到c一個(gè)比一個(gè)好,但消耗的電壓余度一個(gè)比一個(gè)大.故在設(shè)計(jì)中不能片面強(qiáng)調(diào)哪一個(gè)好,而是在多方面進(jìn)行折中.（c）3/17/2024154.低電壓工作cascode電流鏡(headroom的改進(jìn))在深亞微米電路中,MOS器件的ro較小,需要采用cascode結(jié)構(gòu)來提高恒流源的交流電阻.另一方面,低電源電壓工作又要求低的headroom損耗及很好的精度,下面是一設(shè)計(jì)例子:由左圖,M1處于飽和的條件是:或M2處于飽和的條件是:或XABM1M2M4M3IoutVDDVbP3/17/202416或者說M2的過驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)小于一個(gè)閾值電壓.由上式有必要條件:于是Vb的取值范圍是:或如果讓M1工作在飽和區(qū)邊緣,那么可取:在上述偏置下M4漏極最小電位為:XABM1M2M4M3IoutVDDVbP3/17/202417Vb的產(chǎn)生電路:Vb為兩個(gè)VGS減去一個(gè)VTH,可用如下電路:VbVDDPRXM5M6I其中,★改進(jìn)電路:用一個(gè)二極管連接的有源器件M7來替代電阻,假設(shè)M7的寬長比非常大,那么滿足,因此又有一個(gè)產(chǎn)生Vb的電路結(jié)構(gòu).3/17/2024185.3有源電流鏡1.ConceptofActiveCurrentMirrors2.Single-endedoutputDifferentialAmplifierwithCurrentSourceload(c)VbVinVDDVoutM1M3M4M2(a)VbVinVDDVoutM1M4M2(b)3/17/202419利用前面所學(xué)到的知識,我們直接作出這三個(gè)電路的交流小信號增益的表達(dá)式:首先,圖(a)的增益〔對稱電路〕利用半邊電路的概念，我們可以得到電路增益為VbVinVDDVoutM1M3M4M2(a)3/17/202420利用輔助定理M1等效為電阻為的電源,那么M2的輸出電阻為其次,圖(b)的增益VbVinVDDVoutM1M4M2(b)3/17/202421(c)圖的電壓增益AV是多少呢?方法一:利用來求電壓增益.先求Gm:畫出求Gm的等效電路,如以下圖所示.3/17/202422求Rout,等效電路如以下圖所示:從P點(diǎn)向左看到的等效阻抗為,作為M2的源極負(fù)反響電阻.于是從輸出端向下看到的等效輸出電阻為于是得到總輸出電阻為電壓增益為3/17/2024233.DifferentialAmplifierwithActiveCurrentMirrorLoad有源電流鏡為負(fù)載的差分放大器,是結(jié)構(gòu)最簡單,能實(shí)現(xiàn)單端輸出信號的差分放大器,是差分放大器中使用極其廣泛的一種差分放大器結(jié)構(gòu).3/17/202424★大信號特性：當(dāng)Vin1<<Vin2，M1截止，M3、M4截止，M2、M5導(dǎo)通，但電流為0。這時(shí)M5和M2處于深triode區(qū)，Vout=0。恒流源電流未啟動(dòng)。1.根本工作原理與大信號分析這里要注意兩個(gè)問題：a.M4受M3作用，而不是M3受M4作用。b.M3、M4及M1電流為0與M2，M5電流為0，不代表它們的狀態(tài)一樣〔工作區(qū)〕。3/17/202425當(dāng)Vin1接近Vin2時(shí)，各MOS管都進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，Vout上升。當(dāng)Vin1=Vin2，在對稱條件下，當(dāng)Vin1進(jìn)一步增加，Vout上升，直至M4進(jìn)入深Triode，M2截止，Vout=VDD,Vout與Vin1-Vin2關(guān)系如以下圖：3/17/202426解答:Vout節(jié)點(diǎn)電位上升，M4進(jìn)入Triode區(qū)，脫離電流鏡像條件，而保持電流連續(xù)性(即由Vout上升導(dǎo)致M2電流上升，M4電流下降，維持M2、M4電流平衡)，于是也產(chǎn)生了電壓放大，且為正的增益。或者用輸出節(jié)點(diǎn)對地電容的充放電來解釋。3/17/202427由M5飽和狀態(tài)確定：★共模輸入范圍其中,為F點(diǎn)輸出電平。故共模輸入范圍為由M1飽和狀態(tài)確定：3/17/202428(2)小信號分析分析方法:①利用求等效跨導(dǎo)Gm和輸出電阻Rout的方法來求取增益.先求:將P點(diǎn)視為交流地，如以下圖：3/17/202429接著求Rout：將Vin=0，即M1，M2柵接地.此時(shí)等效電路如圖(a)所示：晶體管M1和M2的作用可以等效為一個(gè)電阻:(a)M3等效為電阻，得到等效電路如圖(b)所示：(b)根據(jù)等效電路有:3/17/202430故有源電流鏡的差分放大器的增益為:可見，鏡像電流源負(fù)載差分放大器的增益、輸出電阻都與簡單恒流源負(fù)載CS級相同。(b)3/17/202431分析方法:②戴維南等