1、CMOS 模拟集成电路设计 Design of Analog CMOS Integrated Circuit 2016年3月 郑然 西北工业大学航空微电子 中心 嵌入式系统集成教育部工 程研究 中心CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 2 本章内容 第五章 电流镜CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 3 本章内容 5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 低压共源共栅电流镜 5.4 与差动对结合的电流镜CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zheng
2、ran 第五章 电流镜 4 回顾电流源的作用 电流源的作用 1、为单级放大器或者差分对 提供偏置电流，能够控制增 益、输出共模。 2、改变某一支路的电流。( 应用 在“二极管连接器件”作负载的 共源级)CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 5 回顾电流源的作用 3、直接作为负载，消耗有限的 电压余度的同时提供较高的输 出阻抗。 那么在实际的电路中如何获得电流源呢？ 使用工作在饱和区的MOS 作为电流源。那么我们可以通过下面 的电路为NMOS 的栅极提供一个合适的偏置，从而实现电流源。 引起 电流误 差。 同时 ，电源 的噪声 也会 的。
3、电流 源的方 式是不可 取 的误 差。看来 这种产 生 就会 导致输 出电流有 的偏 差， ，有 ，若 过驱 动电压 一般比较 小 的电 压余度 ，为了 减小电 流源消耗 % 44 50 200 400 100 ) ( 2 2 1 2 2 mV mV V mV V V R R R L W C u I ov TH DD ox n OUT = + CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 6 5.1 基本电流镜 在实际的电路设计中，我们对一个基准电流源进行精确的复制来 为电路各模块提供偏置电流。我们本章将讨论这一复制方法，也就 是采用电流镜。对于
4、基准电流的产生将在11 章进行介绍。 如图所示，基准产生电路提供基准电流。电路中的各 个支路将基准电流复制或按比例缩放，来获得各自需 要的偏置电流。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 7 5.1 基本电流镜 观察MOS 器件的电流公式 2 ) ( 2 TH GS ox n OUT V V L W C u I 两个具有同样VGS 的NMOS ，如果管子尺寸相同，工艺偏差 不计(VTH 相同) ，那么两个管子流过的电流就相同。从这一点 出发，我们考虑到下面的电路。 REF out TH GS ox n out TH GS ox n REF
5、I L W L W I V V L W C u I V V L W C u I 1 2 2 2 2 1 ) / ( ) / ( ) ( ) ( 2 1 ) ( ) ( 2 1 = 电流可以按照比例被复制，而且不受工艺和温度的影响。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 8 5.1 基本电流镜 例，求图中M4 的漏电流，所有管子都工作在饱和区，不考虑沟 道调制。 REF D I L W L W L W L W I 3 4 1 2 4 ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( = CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014,
6、 zhengran 第五章 电流镜 9 5.1 基本电流镜 分析下面电路中各个管子的功能CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 10 5.1 基本电流镜 为了保证电流复制的精确性，作为电流镜的对管一般采用相同 的栅长，以减小源漏区边缘扩散(LD) 所产生的误差。 并不 会加倍 。 加倍， 图中 可以看 到，当 D drawn eff drawn L L L L 2 = 因此我们一般使对管具有相同的沟道长度(L drawn ) ，而改变W ，以获得需要的复制比例。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第
7、五章 电流镜 11 5.1 基本电流镜 计算图中的小信号电压增益。( 不考虑沟道调制) L m v R L W L W g A 2 3 1 ) / ( ) / ( = CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 12 5.2 共源共栅电流镜 前边的讨论忽略掉了沟道调制效应，完整电流复制表达式为： 1 2 1 2 1 2 1 1 ) / ( ) / ( DS DS D D V V L W L W I I + + = 根据上式，参考左图可知： 1、X,Y点的电位差决定了电流镜复制电流的精度。 2、如果Y 点接入到了其他电路，那么该点电位受 到外接电
8、路的影响从而影响复制精度。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 13 5.2 共源共栅电流镜 为了解决上面两个可能影响精度的问题，电流 源采用共源共栅结构，适当的设置Vb 可以使 Vx=VY ，从而获得精确的复制电流。而且由于共 源共栅的高输出阻抗，VP 的变化不容易影响到 VY( 怎么解释？) ，这样以来，外接电路对复制 精度的影响就会大大减小。 ) /( ) ( 3 3 3 2 3 2 3 2 3 3 O mb m P Y O Y O O O O mb m P r g g V V r V r r r r g g V + = + + +
9、 适当设置Vb 保证 Vx和VY 尽量相等，可以获得较好 的电流复制精度。但注意 引入的M3 消耗了额外的 电压余度。 共源共栅电流源CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 14 5.2 共源共栅电流镜 那么如何设置Vb 呢？ 共源共栅电流镜 如左图(Vb 的电位即N 点电位) 所示共源共栅 电流镜。如果(W/L)3/ (W/L)0= (W/L)2 / (W/L)1 可使VGS0=VGS3 ，进而使得VX=VY 。 注意：即使M0 和M3 存在衬偏效应，也不影响 VX 和VY 近似相等的关系。为什么？ 体效应在两个管子上表现出相同的阈值变化
10、。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 15 5.2 共源共栅电流镜 例：画出VX 和VY 与IREF 的关系草图。如果IREF 作为电流源工作， 其两端的电压不能小于0.5V ，则IREF 能提供的最大电流值是多少？ （管子尺寸及工艺参数已知，不考虑体效应） 2 1 0 2 1 0 1 0 1 0 1 0 ) ) / ( ) / ( ( ) 5 . 0 ( 2 5 . 0 2 W L W L V V V C I V V V V V W L W L C I V V V TH TH DD ox n REF N DD TH TH ox n R
11、EF GS GS N + + + + = + = 又 1 1 ) / ( / 2 TH ox n REF Y X V L W C I V V + = CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 16 5.2 共源共栅电流镜 共源共栅电流镜精度和消耗的电压余度 (b) 中所示电路中P 点允许 的最低电位为 相当 假定所 有器件阈值大 致 TH TH GS TH GS TH GS GS TH N V V V V V V V V V V + + = + = ) ( ) ( 1 0 2 1 0 2 这是两个过驱动电压和一个阈值电压的和。这种结构可以有效
12、 的保证电流镜的复制精度，但电压余度消耗较大。那么观察(a) 中的电路，通过适当的设置Vb 可以使M2,M3的余度消耗恰好等于 过驱动电压。这样一来可以使P 点允许的最低电平达到两个过 驱动电压，但是无法保证M1M2 的漏源电压相同，精度会变差。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 17 5.3 低压共源共栅电流镜 低压共源共栅电流镜，或者叫“低电压余度消耗”的共源共 栅电流镜。 (b) 图比(a) 图多消耗了相当于一个 阈值的电压余度。主要是因为M1 的二极管形式连接。因此将拓扑 改造成左下方所示的结构。只要 合理的设置Vb就可以减小电
13、压余 度消耗。 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 , TH GS b TH GS GS TH GS GS b TH b GS V V V V V V V V V V V V V + + CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 18 5.3 低压共源共栅电流镜 于两 个过驱 动电压。 消耗 的电压 余度只相 当 饱和 而且右 半边电流 源 就能 保证所 有器件都 那么使 的最 小值 取 有解。 时， 当 ), ( ) ( 1 1 4 2 4 1 1 2 1 2 2 TH GS TH GS TH b P TH GS GS b b b TH
14、 GS TH V V V V V V V V V V V V V V V V + = + = 偏置点Vb 的选择 1 1 2 1 1 1 6 6 2 5 5 TH GS GS b TH GS b GS DS GS GS b V V V V V V I R V V V V R M + = = 的值使 的尺 寸和 合理 选择 注意：左图中的左半边电 路是偏置 产生电路。其关键点在电阻 上 实现 相当于一个阈值的压降。 衬偏效 应 和电阻的不准确都会导致 电路设 计 结果与实际情况产生偏离 。 pCMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 19 5.
15、3 低压共源共栅电流镜 这个电路不采用电阻，避开了电阻的精度问题。 只要合理放大M7 的尺寸就能够使VGS7 VTH7 ，从而 获得前述要求的关系式。然而这个结构同样存在 衬偏效应的问题。 使用源跟随器MS ，直接使共源共栅级的偏置下 降VTH ，这样一来也可以使电压余度消耗为两 个过驱动电压。但A,B两点的电位将不能近似 相等，导致精度的损失。这种结构有时也会使 用，因为共源共栅结构的电流镜不单单是为了 实现高精度，我们也有时仅仅利用其高输出阻 抗。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 20 5.4 与差动对结合的电流镜 电流镜与差动对
16、的结合可以将差动输入信号转换为单端输出信号。 M1 的小信号电流经过M3镜 像到M4中，M4 和M2 的小 信 号电流的矢量和流过输出 端的负 载使Vo u t 发 生变化 。这 也是差分运放的一种形式 。两边 电路尺 寸对称 。 大信号分析 当Vin1Vin2 时，M2关断，Vout变为VDD 。(Vin=Vin2 时， 为什么V out=VF?) 2 , 5 2 , 1 TH out CM in OV GS V V V V V + + 输入 共模电 平范围： 若V outVF ，M1 流 过的电 流将大 于M2，M3流过 的电流 将 小于M4 ，这是互相矛盾 的。CMOS 模拟集成电路设计
17、 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 21 5.4 与差动对结合的电流镜 例：假设电路完全对称，当VDD 从3V 变化到0V 时，输出电压随 VDD 变化的关系。认为VDD 等于3V 时所有器件都饱和。 VDD 从3V 减小时，VF 与V out 以 斜率1下降( 为什么？) ，下降到一 定程度时M1 ，M2 进入线性区。 (V out 下降斜率还是1吗？) 最后使 得M5 进入线性区，V out 的下降 变缓。( 为什么？) 只要M5 处于饱和区，M3 和M4 流 过的电 流就不 变，那 么其过 驱动电 压以及 VSG3,4 就会保持常数， 故曲线 下降斜 率为
18、1。 直到M5 不再饱 和，电 流减小 ，斜 率也就会减小。 思考：V out 的下降如何使M5 进入线性区？ M1,2 线性区电流公式CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 22 5.4 与差动对结合的电流镜 小信号增益分析 方法一： Av=GmRout 从右图计算Gm ，由于X 点的摆幅较小 ，可以 认为X 点 的变化对P 点的影响很小 ，所以P 点为 虚地。 那么 2 , 1 2 1 | | ) 2 / ( 2 / m m in m in m out g G V g V g I = = + 从右下图计算Rout 。 4 2 1 2 ,
19、 1 4 3 1 2 , 1 | ) ( | 2 2 3 3 O O out g O O X O g O X X r r R r r V r r V I m m = + + = 若 公式开头为 什么有2？ ( 求Ix 时，注 意各个 电流方 向。) ) | ( | | | | 4 2 2 , 1 O O m out m v r r g R G A = =CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 23 5.4 与差动对结合的电流镜 按照右图所示将输入差动对 作戴维南等效。 求戴维南等效电阻 求戴维南等效电压 方法二：戴维南等效 in O m e
20、q V r g V 2 , 1 2 , 1 =CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 24 5.4 与差动对结合的电流镜 写出V out 节点的KCL 3 3 3 1 1 34 1,2 1,2 1 1 1,2 3 1 2 | m m O out X g OO out m O in X OO g rV I rr V g rV I rr += + = + 其中 ) | ( / 1 4 , 3 2 , 1 2 , 1 O O m v m O r r g A g r = ，有 若 注意：电流从M3 镜像到M4 ，两个管子的电流是不是大小完 全相等的
21、？ 只有流过电阻1/gm3 的电流被镜像到了M4 中，两个管子流过沟 道电阻的电流是各不相同的。或直接计算M3 栅压的变化，与 M4 跨导相乘，获得其镜像的电流。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 25 5.5 共模特性 对于前面学过的差动输入、差动输出的结构，两边电路完全对 称的话，共模输入的变化可以被完全抑制。 本章介绍的电路中，使用电流镜作差分对的负载，差动输入转换 为了单端输出，这种情况下，器件完全对称的话能不能完全抑制共 模变化呢？ 直观分析一下，如果Vin,CM 增大的话，两个 管子流过的电流都增大相同的值，而M4从M3中
22、镜像得到的电流恰好等于M1管增大的电流，也 正好与V out 节点提供给M2管的电流相抵消，因 此输出节点电位不变。输入共模变化被完全抑制 这样的理解有没有问题？ 有问题，如前分析，M4 管和M3 管中的电流不同。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 26 5.5 共模特性 分析M3 ，M4 输出电流的关系,(b) 中 ) | 1 ( ) ( ) | 1 ( ) | 1 ( , , 3 3 1 4 2 4 3 3 1 4 4 3 3 1 4 4 3 2 1 O m O D out O m m D O m F D O O r g I r I
23、 I V r g I g I r g I V I r r I I = = = = = = 设定 向下为参 考方向 同学提问：既然共模输入变化时， V out 和VF 具有相同的电压值，而 两者的栅压又是相同的，那么两 者电流应该是相同的。那么为什 么说两者不同呢？ 可见Vout 与VF 具有同样 的变化情况。这个是 电路动作的结果由动 作的过程决定。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 27 5.5 共模特性 由于差动输出和单端输出电路的结构不同，因此其反映共模特 性的重要指标共模抑制比的定义也不相同。 CM DM DM CM DM A
24、A CMRR A A CMRR = = 对于 单端输出 ： 对于 差动输出 ：CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 28 5.5 共模特性 电流镜作负载的差动对的共模抑制比( 器件尺寸完全对称) + = = + = + = ) | ( ) 2 1 ( 2 1 1 | ) | ( 4 , 3 2 , 1 4 , 3 2 , 1 4 , 3 2 , 1 2 , 1 2 1 2 2 1 4 , 3 2 , 1 2 , 1 2 , 1 4 , 3 4 , 3 O O m SS m CM DM m m SS m SS g r g CM O O m DM r r g R g A A CMRR g g R g R A r r g A m O m 这个结果表明，即使电路对称也不能完全抑制共模变化对 输出的影响。这是单端输出的缺点。 注意：在计算共模增益时采用了估算。CMOS 模拟集成电路设计 Copyright 2014, zhengran 第五章 电流镜 29 5.5 共模特性 阅读131页，电路失配时共模增益的计算，回顾所学知识点。 本章结束，谢谢
