电流镜的仿真与分析

1、差分放大器中偏置电流源的设计与仿真08微三张万里 2008700519、八前言随着模拟集成电路的发展，我们对电路要求的性能越来越高。 而在模拟集成电 路中，运算放大器则起到了关键的作用。在模拟电路中好的性能很大程度上依赖 它的偏置电路，而偏置电路主要使用的是恒定电流源。 在包含多级放大器的集成 电路芯片上，一个恒定的直流电源(称为参考电流源)在一个地方生成后可被复制 到其他许多地方，通过一种叫电流导向的过程为各级放大器提供偏置。这个方法有一个优点，设计者只需要把精力集中在得到可预知和稳定的参考电流上，这通常是利用芯片外的一个精确的电阻完成的， 而不必把这个工作在每一级放大器上 重复进行。另外，

2、在电源电压或温度有所改变的情况下， 各级放大器的偏置电流 始终保持一致。本文基于此，对偏置电流源的电路进行初步的设计与仿真。1 MOSFET基本电流源图1画出了一个简单的MOSFET恒流源电路。这个电路的核心是晶体管 M1， 它的漏极和栅极短接，从而保证它工作在饱和区：这里忽略了沟道长度调制效应。M1的漏极电流由Vdd通过电阻R提供。电阻R在大多数情况下位于集成电路芯片之外。因为栅极电流为0，所以V DD V GSR这里通过R的电流被认为是电流源的参考电流，记做1 REF。式(1)和式(2)可以用来确定R的值图1偏置电流源电路的简单模型现在来看晶体管M2。它的vgs与M1相等，因此如果假设它工

3、作在饱和区, 那么其漏极电流(既电流源的输出电流Io为I。=1 D2 二讣 n WW VGs Vtn这里也忽略了沟道长度调制效应。利用式(1)和式(3)。我们可以得到输出电流1。与 参考电流Iref的关系如下:WI。. L 2Ire矿这是一个简单而重要的关系：M1和M2的特殊连接使得输出电流Io参考电流I REF的关系可以用两个管子的宽长比来表示。换句话说，IO和丨REF的关系完全由晶体管的几何尺寸决定。为了保证 M0工作在饱和区，M0漏端连接的电路必 须使得漏极电压V。满足一下关系：2几种偏置电流源电路在放大电路中的应用与比较2.1基准电流源测试电路我们设计一个测试电路(如图2所示)为了测试

4、各种偏置电流源的特性，以此来选择性能最好符合我们需要的电路。在整个测试电路中我们都是用相同的晶体管 尺寸。电路包含了一个基本的差分对(W=1900nm,L=350nm), 个基本的二晶体管有效负载(W=800nm,L=350nm)和一个共源放大器(W=800nm,L=350nm)。我们在 整个测试过程都采用V DD =1.8V的电压供给图2基本的测试电路晶体管的长度被设计了，由此差分对的供给电压在6uA和7uA之间。然后我们分析了电路的输出阻抗，与此同时，所有的晶体管一旦达到我们所要求的电流 时我们再看下结果我们就知道那个偏置电流源是我们要的最好的。2.2基本偏置电流源的设计与仿真如图3所示，

5、我们采用的是一个基本的电流源电路，晶体管尺寸为 (W=1900nm,L=350nm)，输出电路上的晶体管为(W=500nm,L=350nm)。图3基本的偏置电路源电路我们在电路的直流分析的时候， 选取V2=T，从0V到1V变化，看输出的电流。仿真电路图如图4,图5所示。我们可以看到输出电流为 35uA左右，与我们要图4输出OUT端电流图Q39|-5 .OSLJA图5电路从OUT端看的输出电阻图该电路最主要的优点是电路结构简单而且容易实现电流控制的效果。但是该电 路输出电流太大，而且稳定性不是很好。2.3折叠状偏置电流源的设计与仿真我们采用四个晶体管的折叠，各晶体管的尺寸如图6所示。图9减少型折

6、叠状电流源电路图6折叠状的偏置电流源电路该结构相比基本的电流源电路来说显得有一点复杂。有仿真结果图 7和图8 所示，它也不利于用来提供大的电流，特别是在输出端。它主要的优势在于它能 提供稳定的电流而且所采用的晶体管尺寸也相对较小， 它的输出电阻也比基本电 流源电路要大。但是这种电路的动态范围却减少了。 因此我们在考虑电路的时候 要综合考虑。图7 OUT端输出电流图图8 OUT输出阻抗图2.4减小型的折叠式偏置电流电路该电路在前面的基础上又增加了一组晶体管，各晶体管尺寸如图9所示。“减小” 一词说的是当达到一个稳定的电流时， 所需要的电压通常减少了一半。 这种 电路相对基本电流源电路虽然说更复杂

7、了， 但是这确是我们设计放大器电路最理 想的电路。如图10和图11所示，它能提供稳定的电流，并且提供大的电流所需 的供给电压却非常小。ordJ B 0 IBPFTRSFF p0.0.254971419.975S7kV图10 OUT端的稳定电流兰垦图11 OUT端的输出阻抗2.4威尔逊电流源偏置电路如图12所示，该电路结构与基本的偏置电流源电路相比多了两个晶体管，不过有几个晶体管的尺寸明显加大了。 对于现在要求的小面积的芯片来说，这个偏置电路可能会失去一些优势。从图13和图14仿真结果可以看出，这个偏置电路 照常为输出端口输出0.6-1.1uA的电流，输出阻抗也和基本偏置电路相当。图12威尔逊电

8、流源偏置电路/M6/D图13 OUT端输出电流图15改进后的威尔逊电流源偏置电路图15改进后的威尔逊电流源偏置电路图14 OUT端输出阻抗2.5改进的威尔逊电流偏置电路15通过增加一个晶体管，电路的性能得到了很好的改善。具体晶体管尺寸如图 所示，我们可以看到，输出的电流加大了，输出阻抗也和以上的电路相当。但是 这种电路明显又增加了一个晶体管，所以我们选择的时候要综合考虑。图16威尔逊电流源偏置电路 OUT端电流3?309| 9.9892kVu图17 OUT端输出阻抗图3总结通过对上述的电路仿真分析，我们可以列出一个表 1来比较各电路的有关性 能。表中的N表示被镜像电流镜像的次数。表1各电路性能的比较与分析电流镜电 路排序（由 好到差）所用晶体 管个数（包 括基准电 流源晶体管）电流的保 持性能输出阻抗输入阻抗电路的复杂度达到所要 求的 7uA 电流所需 的晶体管 尺寸减少型折 叠电路6+2N非常好很高低难小基本折叠电路3+2N很好很高低难很小基本的威尔逊电路2+2N好高低适中很大改进的威尔逊电路3+2N好高低适中很大基本的偏 置电路2+N差低低简单小由表我们可以得出减少型折叠型偏置电路的各项性能为最优，它能提供非常好的电流保持特性，和很高的输出阻抗及很低的输入阻抗。 在现代集成电路要求尺 寸越来越少的时候，我们选择此电路为最妥。不过有时候可以根据需要，可以选 择其他的电