985学院cmos模拟集成电路设计课件东南

1、SENANJINGog IC DesignChapter 2Basing CircuitswujinSEContentNANJINGCurrent MirrorCurrent Source, Current Sink;Biasing: Constant current generation;-linear/Nonlinear CM Coupling; Current Definition;Current stability.Biasing Improvement- CascodewujinSECurrent Mirror:Linear/NonlinearNANJING采用恒流源, 但输出电流不

2、匹配(VDS不同) 1 2VDS 2IDS 2 (W / L)2线性传输性质(W / L)11 1VGS1IINVGS相同;VTH相同.匹配控制绝对能力: ro;相对能力: VDS匹配.大信号(静态)/小信号均为线性, 形成有差异;Test: M2下串接一电阻RS如何?非线性!wujinSEOutputimprovedNANJING1VLr A0DeviceLarger L, Small IDS;dsIIDSDSCircuit: CascodeV I R Vygs g 2Vrdsy(gx V I) V/ 2ormyVRxr2oR2mVyRVxRr rgrRo 2m2o2V/RywujinSES

3、imple Cascode Current MirrorNANJINGr ro1 ro 2gm 2ro 2ro1R = ro1Single Transistorr ro 2r ro1ro1=0 ro2=0Cascode:output r enhancement M1/M2 required Saturated;Also matched.wujinSECascode高输出阻抗NANJING输出阻抗倍增效应提高输出阻抗. 静态:改善电流稳定性; 动态:提高交流增益wujinSE-HighSwing Cascode Current Mirror -1NANJING1. 独立偏置M1=M2; M3=M

4、4.34=;5min=2Same in driving currentW4L4(W/LM)5 14()2LM)45 ,(W/min考虑衬偏和余量W (wujinSEHigh-Swing Cascode Current Mirror -2NANJING1. 自偏置M1=M2; M3=M4.34=;证明:VRmin= ; VRmax=VTH? V2 V1 VR VTH VRVDS 3VDS 4Linear CS,RminRRmaxwujinSEFunction of Nonlinear CSNANJINGPeaking Current Source线性电流镜电流线性传输功能;无支路电流定义功能.非

5、线性电流镜由VBE或VGS形成;有支路电流定义部分功能. VR VBEI1RR11wujinSECurrent Definition by Nonlinear CSNANJINGGVS 2 1 VRVPeaking Current SourceIGS121RRR1112IQ12I1()R1k1k2I1k/IfI;Qk2N121k122111)(R1I( k1)N1Rkk11112)VCC无关2 R11Exe: 其它类型Nonlinear-CS, 其它工作模式.电流定义需要传输.wujinSENonlinear to LinearNANJING全部再串接电阻?且依靠Q1、Q3、Q4尺寸关系控制

6、电阻上电压相同实现 Nonlinear Linear电阻不再定义电流大小,而是定义电流比例关系.CM中输入恒流源产生?Biasing CircuitwujinSEBiasing RequiredNANJING电流镜需要电流驱动, 无法产生驱动电流;产生电流需要偏置电路: 电流镜的相互作用.偏置: 提供稳定的静态工作点电压和电流稳定：与电源电压VCC无关; 增加温度无关性则变为基准！若再与工艺无关, Good reference!PVT Unrelated!wujinSESimpiasingNANJING分压：线性电阻+线性电阻,线性输出, 不恒定;改进：线性电阻+非线性电阻；非线性电阻+非线性

7、电阻非线性：区别交流和直流, 静态和动态wujinSE电阻分压原理NANJINGR11V VV静态点:直流电阻分压:oCCCC1 RRR/ R1221Vo稳定要求R2/R1随VCC增加而增加(R2增加/R1减小)R2采用恒流源导通电阻合适;r11交流扰动: 交流电阻分压. V VVoCCCCr r1 r/r1221Vo=0要求r2/r1, r2=恒流源; r1=0 恒压源;结论: 偏置电路的任一支路要求恒流源与恒压源的配合;与低阻的配合.或wujinSESingranch Biasing: R + MOS DiodeNANJING电压的传输: 稳定电压的传递电流的传输: 电流的线性传递. “因

8、”是否恒, “果”是否配仍然与VCC弱相关部分符合要求交直流难兼顾问题: R非高阻恒流源VV b1k( Vb22CCTVH)R1112VCCVVV)2(bTHkRTHkRkR111VTH恒流源, 则电流又无定义如改成wujinSEWidlar NL Current SourceNANJING独立定义, 线性关系无保证非线性:电流定义GVS 2 VGSBVE 2 VBEVV微电流BE1GS1IIQQRRRR2222需引入线性电流源进行电流传递, 保留R2的电流定义;线性电流源与非线性电流源耦合后形成稳定偏置.wujinSESelf-Biasing BJT: VBE/RNANJING支路电流, 非

9、线性源定义电流采用线性电流源传递MOS版本衬偏影响单调型曲线相交原理;阻抗配合原理.非线性电流源: 电流相等, Se不再相等，VBE小的, Se大wujinVBESEV/R的电流偏置BENANJING电阻位置?双路平衡式电流定义电流镜wujinSESelf-Biasing VGS/RNANJINGMOS单调型MOS峰值型VVBEExe: 推导强反型与弱反型下的输出电流.wujinSECMOS中的VBE/R偏置NANJINGV VR虽然M3=M4, 非线性仍需保留提高输出电流RI=VBE/R电阻位置?电流定义wujinSE电流自偏置的基本原则NANJING上下看: 线性与非线性电流镜的互耦, 或

10、互偏置线性与非线性的唯一交点, 稳定/静态点,是否有Sic垂直/支路看:+低阻的耦合, MOS恒流的原理两支路高、低阻上下位置交叉, 是否恒定wujinSE自偏置电流的启动过程NANJING自偏置电流源: 闭环, 反馈;线性电流镜: 开环动态过程: 初始正反馈, 稳态(结束)负反馈反馈的性质由支路电阻位置和电流镜W/L关系决定电阻: 对角线wujinSEBJT VBE & MOS VTHBiasingNANJING VGS1 VGS 22(VTH ) VGSI(MOS ) VCC VCC大电流偏置如何实现?IINoRRR211同样需要将R1改为恒流源并线性传递到Q2/M2中wujinSE电流传

11、递原则NANJING同样需要将R1改为恒流源并线性传递到Q2/M2中 R(1 gm4ro 4 )gm3rds3 (2gm3 R)rds3ro3_ DownwujinSESelf-Biasing BJT VBE ReferenceNANJING完整的BJT VBE偏置电路wujinSESelf-Biasing with VCurrent SourceTHNANJING完整的MOS VTH偏置电路(含启动)wujinSESelf-Biasing VTH Referenced Voltage SourceNANJINGI-V转换关键: 电流定义, 电流传递wujinSE电平移位NANJING降低M3

12、管VDS电压关键: 电流定义, 电流传递如果将R=1/gm, 即用MOS Diode代替如何?wujinSECascode Self-Biasing CircuitsNANJINGwujinSEEX: Sooch Cascode Current MirrorNANJING11 W2 k2Ik ( )V( BVTH)IN4 L1 W1V2 V()(BA V3 L2WLV2THVVVovVBAovWL VTHW3LV VVVov 3ov VVVoVvoVv142 2VTH5W3L2VV3THov 0VDS1 2VVDSAT 2VTH2ov3ov VVo(min)VDD (min)V22wujinSEEX: Wide Swing Cascode BiasingNANJINGwujinSESummaryNANJINGRelation betn CS & Biasing;Self biasin