第四章无源与有源电流镜

1、 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 1 第四章第四章 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 2 简单偏置的电流源简单偏置的电流源 2 2 T TH HD DD D 1 12 2 2 2o ox xn n O OU UT T ) )V VV V R RR R R R ( ( L L W W 2 2 C Cu u I I 上式说明上式说明Iout受很多因素影响：电源、受很多因素影响：电源、 工艺工艺(不同晶片不同晶片VTH可能会有可能会有 100mV的的 误差误差)、温度、温度( n， VTH都受温度的影响都受温度的影响) 。因此。因此Io

2、ut很难确定。特别是为使很难确定。特别是为使M1消消 耗较少的电压余度而采用较小的偏置电耗较少的电压余度而采用较小的偏置电 压时，这个问题更严重。压时，这个问题更严重。 例如，若例如，若Von1200mV，VTH有有50mV的误差就会使输出的误差就会使输出 电流产生电流产生44的误差。的误差。 如何产生精度、稳定性均较好的电流源如何产生精度、稳定性均较好的电流源? 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 3 用基准来产生电流源用基准来产生电流源 用相对较复杂的电路用相对较复杂的电路(有时需有时需 要外部的调整要外部的调整)来产生一个稳来产生一个稳 定的基准电流定的基准电流IREF。 在

3、模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流在模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流 IREF的复制的复制 ( IREF常由基准电路常由基准电路(第第11章章)产生，这里不作讨论产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流源，从而得到众多的电流源 。现在我们关心的是，如何产生一。现在我们关心的是，如何产生一 个基准电流的精确复制呢？个基准电流的精确复制呢？ 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 4 基准电流的简单基准电流的简单“复制复制” 2 2 n nO OX X R RE EF F1 1G GS ST TN N C CW W I I= =( () )( (V V-

4、 - V V) ) 2 2L L 2 2 n nO OX X o ou ut t2 2G GS ST TN N C CW W I I= =( () )( (V V- - V V) ) 2 2L L 2 2 o ou ut tR RE EF F 1 1 ( (W W/ /L L) ) I I= =I I ( (W W/ /L L) ) 基本电流镜基本电流镜 基本电流镜中，若不基本电流镜中，若不 考虑沟道调制效应：考虑沟道调制效应： 该式表明该式表明Iout是是IREF的复制且不受的复制且不受 电源电压、温度和工艺的影响。电源电压、温度和工艺的影响。 事实上，事实上，VDS1通常是不变的，而通常是

5、不变的，而VDS2与与Iout连接的节点电压有连接的节点电压有 关，一般而言，这个节点的电压是随输入信号变化而变化的关，一般而言，这个节点的电压是随输入信号变化而变化的 ，0时，时， Iout不可能是不可能是IREF的的“精确精确”复制。复制。 电流镜有何用途？电流镜有何用途？ 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 5 电流镜运用举例电流镜运用举例 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 6 基本电流镜的误差基本电流镜的误差 ) )V V( (1 1) )V V( (V V) ) L L W W ( (k k 2 2 1 1 I II I D DS S, ,1 11 1 2

6、2 T TH H, ,1 1G GS S, ,1 11 1n n, ,1 1r re ef fD D1 1 ) )V V( (1 1) )V V( (V V) ) L L W W ( (k k 2 2 1 1 I II I , ,2 2D DS S2 2 2 2 T TH H, ,2 2G GS S, ,2 22 2n n, ,2 2o ou ut tD D2 2 D DS S1 1 D DS S2 2 r re ef f o ou ut t V V1 1 V V1 1 I I I I 电流镜中所有电流镜中所有MOS管取相同管取相同 的沟道长度的沟道长度L，以减小源漏区以减小源漏区 边缘扩散边

7、缘扩散(LD)所产生的误差。所产生的误差。 Iout如何精如何精 确复制确复制Iref? 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 7 基本共源共栅电流镜基本共源共栅电流镜 选择选择Vb使使VX=VY, Iout即是即是IREF的精确复的精确复 制制! 即使即使VP变化变化, 因因 VY= VP /(gm3r03), 故故VX VY , Iout IREF。注意注意, 这是靠牺牲这是靠牺牲 电压余度来获得的精度电压余度来获得的精度! M0、M3选择合适的宽选择合适的宽 长比使长比使VGS0VGS3， 则则VX=VY 。 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 8 基本共源共栅电流

8、镜的摆幅问题基本共源共栅电流镜的摆幅问题 例例5.4 画出画出VX 从一个大的正从一个大的正 电压下降时电压下降时IX 和和VB的草图。的草图。 当当M3刚退出饱和时刚退出饱和时VDS3=Von3, 因因M3退出饱和以前可以认为退出饱和以前可以认为VB 基本不变基本不变(VB VA/(gm3r03) , 即即VB = VA =VGS1(2), 故当故当M3刚退刚退 出饱和时有出饱和时有: X Xm mi in no on n3 3B B( (A A) ) o on n3 3T TT TG GS S1 1( (2 2) ) o on n3 3o on n2 2T T V V= =V V+ +V

9、V = =V V+ +( (V V- -V V ) )+ +V V = =V V+ +V V+ +V V 这比这比M2和和M3同时同时 退出饱和时的：退出饱和时的： VXmin = Von3 +Von2 大了一个开启电压大了一个开启电压 VT这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失这在低电源电压运用中是一个很大的电压损失! M2退出饱和退出饱和 M3退出饱和退出饱和 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 9 基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因基本共源共栅电流镜摆幅损失的原因 分析基本共源共栅电流镜输出分析基本共源共栅电流镜输出 摆幅损失了一个阈值电压摆幅损失了一个阈值电压VT的的 原因

10、不难发现原因不难发现: 由于由于M3退出饱退出饱 和时和时VB基本不变基本不变, 故为使故为使: VXmin=Von3+Von2 必须使必须使M2在正常工作时在正常工作时VBVon2(1), 由于由于VA=VB, 也即也即VAVon2(1), 然而在基本共源共栅镜中然而在基本共源共栅镜中 VA=VGS1=Von1+VT, 显然显然, 为减小基本共源共栅电为减小基本共源共栅电 流镜输出摆幅的损失必须减小流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小。的大小。 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 10 低压共源共栅电流镜的原理低压共源共栅电流镜的原理 上图中上图中VA=VGS1-VDS2，若选取

11、，若选取VDS2 VT , 则：则： VB = VA Von1(3), 于是于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本比基本 共源共栅电流镜减小了一个阈值电压共源共栅电流镜减小了一个阈值电压VT, 低压低压 共源共栅电流镜由此得名。共源共栅电流镜由此得名。 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 11 低压共源共栅电流镜低压共源共栅电流镜Vb的产生的产生 左图中左图中, 若若(W/L)1 4=1, (W/L)5=1/4, 记记Von=VGS-VT, 若不考虑沟道调制效若不考虑沟道调制效 应，则应，则: VGS 1 4= VT + Von。 。 VC VT + 2Von VA VB

12、Von V0min 2 Von 该电路的缺点是为给该电路的缺点是为给M3和和M4产生合适的偏置增加了产生合适的偏置增加了M5支路支路 ，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低压共源，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低压共源 共栅电流镜。共栅电流镜。 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 12 实用自偏置低压共源共栅电流镜实用自偏置低压共源共栅电流镜 例例: 假定左图所有假定左图所有MOS管的开启电压均为管的开启电压均为VT, 若若 使使M1M4均饱和均饱和, IREF应满足什么要求应满足什么要求? M3饱和时饱和时, VEVVC C-V-VT T, ,即即: VR=V

13、C-VE =IREFR VT, T T R RE EF F V V I I R R 故故: M1饱和时饱和时, VDVVA A-V-VT T, ,又因为又因为: : R R E E F F A AD DR R E E F FG G S S 3 3T TR R E E F FT T 3 3 2 2 I I V V- - V V= = - - I IR R + + V V= =+ + V V- - I IR R V V R RE EF F 2 2 3 3 2 2 I I R R (1) T T R RE EF F 2 2 3 3 2 2V V I I R RR R T T 2 2 3 33 3T

14、T 2 2V V2 2 R R R RR R V V (1)式有解要求式有解要求: 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 13 例：假定例：假定 0，IR=100uA， nCox1.44 10-5A V-2 M1M8的（的（W/L）均为）均为400u/5u，完成如下问题：，完成如下问题： 1. 求图（求图（1）电路的）电路的Vomin，并求，并求VA, VB的值。的值。 2. 求图（求图（2）电路的）电路的Vomin，并求，并求VC, VD以及电阻以及电阻R的值的值 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 14 带有源电流镜的差动对带有源电流镜的差动对 该电路的重要特性是将差

15、动输入信号变成该电路的重要特性是将差动输入信号变成 了单端输出信号，完成了了单端输出信号，完成了“双双单端单端”变变 换换 也称也称“有源有源”负负 载载 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 15 有源负载差动对的大信号分析有源负载差动对的大信号分析 大信号时大信号时, V0max=VDD, V0min=0 V0minVVin in-V -VT T M2饱和要求饱和要求: 上式表明小信号时上式表明小信号时 V0min依赖于输入共依赖于输入共 模电平的大小模电平的大小, 为得到最大输出摆幅为得到最大输出摆幅, 输入共模电平必须尽可能低输入共模电平必须尽可能低, 输出摆幅与输出摆幅与

16、输入共模电平之间的矛盾是该电路的一个缺陷。输入共模电平之间的矛盾是该电路的一个缺陷。 静态时静态时(Vin1=Vin2) ,如果电路完全对称如果电路完全对称,则则 VF=Vout, 证明如下证明如下: 假假 定定VFVout (即即ID3ID2, 因因ID1=ID3, ID2=ID4, 故故ID3ID4, 这与假设矛盾这与假设矛盾; 反之也成立反之也成立, 故必有故必有VF=Vout 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 16 有源负载差动对的不对称摆幅有源负载差动对的不对称摆幅 Rin=1/gm3 Rin=r04 为理解有源差动对的不对称摆幅为理解有源差动对的不对称摆幅, 假假 定

17、定 =0, 则流过则流过M1、M2的小信号电流的小信号电流 I/2=gm1（ （2） Vin/2大小相等大小相等,方向相方向相 反。反。 即即AXAY i in nm m1 1( (2 2) ) X X0 01 1 m m3 3m m3 3 g gV VI I V V = =( (/ / /r r ) ) 2 2g g2 2g g Y42421 20 00 0i in n0 00 0m m ( ( ) ) V V I I( (r r / / /r r ) )g gV V ( (r r / / /r r ) ) m m1 1( (2 2) )X X X X i in nm m3 3 g gV V

18、 A A = = V V2 2g g Y Y Y Y0 04 40 02 2m m1 1( (2 2) ) i in n V V A A = =g g( (r r / / /r r ) ) V V 显然显然AY AX 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 17 如何求有源负载差动对的小信号增益？如何求有源负载差动对的小信号增益？ 在有源负载的基本差分对中，在有源负载的基本差分对中， 因电路非完全对称，因电路非完全对称，P点不再是点不再是 虚地虚地(为了简化计算，当然也可为了简化计算，当然也可 认为认为P点是虚地，我们稍后来作点是虚地，我们稍后来作 个比较个比较)，为了帮助大家更好的，

19、为了帮助大家更好的 理解电路，我们用戴维南定理理解电路，我们用戴维南定理 来求其小信号增益。来求其小信号增益。 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 18 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（1） 虚框内电路对称虚框内电路对称,可可 用半电路虚地概念用半电路虚地概念 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 19 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（2） i in ni in n e eq qm m2 20 02 2m m1 10 01 1i in n 0 01 1m m1 1( (2 2) )( (2 2) ) V VV V V V =

20、 =- -g g ( (- -) )r r + +g gr r = =g gV V r r 2 22 2 由由KVL定理，得定理，得: e eq q0 01 10 02 2 0 01 1 ( (2 2) ) R R = =r r + +r r = =2 2r r由戴维南定理，显然由戴维南定理，显然: 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 20 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（3） 0eqXeq0eqXeq03(4)03(4) m3(4)m3(4) 1 1 V = V +I (R+r/)V = V +I (R+r/) g g 将虚框内电路看成一个将虚框内电路看成

21、一个 大节点大节点,由由KCL可得可得: 0 03 3 3 31 1m m3 3( (4 4) )r r0 03 3( (4 4) ) 0 03 3( (4 4) )0 03 3( (4 4) ) V VV V - -= = 2 2g gV V + += = 2 2I I + +I I r rr r 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 21 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（4） m m3 3( (4 4) ) X XX XX X1 1r r0 03 3( (4 4) ) m m3 3( (4 4) ) 0 03 3( (4 4) ) 0 03 3( (4 4

22、) ) m m3 3( (4 4) ) 1 1 g g1 1 I I= =I I = =I I I I I I 1 1 1 1+ +g gr r r r+ + g g 0 03 3 3 31 1X Xm m3 3( (4 4) )r r0 03 3( (4 4) ) 0 03 3( (4 4) )0 03 3( (4 4) ) V VV V - -= =2 2g gV V + += =2 2I I + +I I2 2I I r rr r 0 03 3( (4 4) ) 1 1X XX X 0 03 3( (4 4) ) m m3 3( (4 4) ) r r I I = =I II I 1 1

23、 r r+ + g g 代代 入入 代入代入 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 22 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（5） 0 03 3 3 31 1X Xm m3 3( (4 4) )r r0 03 3( (4 4) ) 0 03 3( (4 4) )0 03 3( (4 4) ) V VV V - -= =2 2g gV V + += =2 2I I + +I I2 2I I r rr r 0 0e eq q0 0i in nm m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) ) 0 0 e eq q0 03 3( (4 4) )0 01 1(

24、 (2 2) ) V V - -V VV V - -g gr rV VV V - -= =2 2= =2 2 r rR R2 2r r 0 01 1( (2 2) ) 0 0i in nm m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) ) 0 03 3( (4 4) ) r r ( (1 1+ +) )V V = =g gr rV V r r 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 23 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（6） 0 01 1( (2 2) ) 0 0i in nm m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) ) 0 03 3(

25、 (4 4) ) r r ( (1 1+ +) )V V = =g gr rV V r r m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) )0 0 V Vm m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) 0 01 1( (2 2) ) i in n 0 03 3( (4 4) ) g gr rV V A A = = = =g g( (r r/ / /r r) ) r r V V 1 1+ + r r 这就是输出结点这就是输出结点 的小信号增益！的小信号增益！ 3 3 V V3 3 i in n V V A A = = =? ? V V 无

26、源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 24 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（7） m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) )0 0 V Vm m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) 0 01 1( (2 2) ) i in n 0 03 3( (4 4) ) g gr rV V A A = = = =g g( (r r/ / /r r) ) r r V V 1 1+ + r r 0 0e eq qm m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) )0 01

27、1( (2 2) )m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) ) 1 1X X e eq q0 01 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) V V - -V Vg g( (r r/ / /r r- -r r) )g gr r I II I = = = R R2 2r r2 2( (r r+ +r r) ) 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 25 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（8） 1 1 m m3 3( (4 4) )m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) )3 3 V V

28、3 3 i in ni in nm m3 3( (4 4) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) 1 1 I I g gg gr rV V A A = = = V VV V2 2g g( (r r+ +r r) ) 0 0e eq qi in ni in nm m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) )0 01 1( (2 2) )m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) ) 1 1X X e eq q0 01 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) V V - -

29、V Vg g( (r r/ / /r r- -r r) )V Vg gr rV V I I I I = = = R R2 2r r2 2( (r r+ +r r) ) 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 26 有源负载差动对的小信号增益（有源负载差动对的小信号增益（9） m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) )0 0 V Vm m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) 0 01 1( (2 2) ) i in n 0 03 3( (4 4) ) g gr rV V A A = = = =g g( (r r/ / /

30、r r) ) r r V V 1 1+ + r r 1 1 m m3 3( (4 4) )m m1 1( (2 2) ) 0 01 1( (2 2) )3 3 V V3 3 i in ni in nm m3 3( (4 4) )0 01 1( (2 2) ) V Vm m1 1( (2 2) )0 01 1( ( 0 03 3( (4 4) ) 2 2) )0 03 3( (4 4) ) 1 1 I I g gg gr rV V A A = =g g( (r r/ / /r r= = V VV V2 2g gr r+ +r r) ) ) )= =A A ( ( 无源与有源电流镜无源与有源电流镜

31、 Ch.4 # 27 利用半电路近似计算利用半电路近似计算 Gm / /2 2V Vg gI I / /2 2V Vg gI II II I i in nm m1 1, ,2 2D D2 2i in nm m1 1, ,2 2D D4 4D D3 3D D1 1 m m1 1, ,2 2m mi in nm m1 1, ,2 2D D4 4D D2 2o ou ut t g gG G, , V Vg gI II II I 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 28 近似计算近似计算 Rout r ro o4 4 V V 1 1/ /g g2 2r r V V 2 2I I X X m

32、 m3 3o o1 1, ,2 2 X X X X ) )r r| | | 1 1/ /g g( (2 2r r r r| | |r rR R o o3 3m m3 3o o1 1, ,2 2, , o o4 4o o2 2o ou ut t RXY从从VX抽取的电流抽取的电流 1:1镜象到镜象到M4从从 VX抽取的电流抽取的电流 ) )r r|(r(rg gA A o4o4o2o2m1,2m1,2v v 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 29 有源负载差动对的不对称摆幅有源负载差动对的不对称摆幅 1 1 m m3 3( (4 4) )m m1 1( (2 2) ) 0 01 1

33、( (2 2) ) V VY Y 3 3 V VX X i in ni in nm m3 3( (4 4) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) m m1 1( (2 2) )0 01 1( (2 2) )0 03 3( (4 4) ) 1 1 I I g gg gr rV V A A = = = V VV V2 2g g( (r r+ +r r) ) g g( (r r/ / /r r) )= =A A 1 V VX X V VY Ym m3 3( (4 4) )0 03 3( (4 4) ) A A1 1 = = A A2 2g gr r 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 30 有源负载差动对的共模特性有源负载差动对的共模特性 C CM Mi in n, , o ou ut t C CM M V V V V A A 共模增益的定义共模增益的定义: 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 Ch.4 # 31 有源负载差动对的共模增益有源负载差动对的共模增益 m3,4m3,4 m1,2m1,2 SSSSm1,2m1,2 SSSS m1,2m1,2 o3,4o3,4 m3,4m3,4 CMCM g g g g R R2g2g1 1 1 1 R R 2g2g 1 1 2 2 r r | 2g2g 1 1 A A 从源级看进去的阻抗从源级看进