Transcript 第6章电流源和电流镜主讲教师

第6章
电流源和电流镜
主讲教师：邹志革
课程章节安排
第1章
第2章
第3章
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章
第9章
绪论
放大器基础
MOS器件特性
单管放大器
差分放大器
电流源和电流镜
放大器的频率响应
模拟集成电路仿真
基本运算放大器设计
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课程内容
6.1 基本电流镜
6.2 共源共栅电流镜
6.2.1共源共栅电流镜构成
6.2.2电流源的电压余度
6.3 有源电流镜
6.3.1 有源电流镜概念
6.3.2 有源电流镜负载差分放大器大信号分析
6.3.3 有源电流镜负载差分放大器小信号分析
6.3.4 有源电流镜负载差分放大器的共模响应
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介绍
我们所知的电流源：
电流源可以用作大电阻，而且不消耗额外的电压余度.
饱和区的MOS 可以作为电流源。
所有的放大器都需要电流源或电阻提供负载电流。
电流源有很多应用：
共源放大器的电流源负载
差动对的尾电流
折叠共源共栅的偏置电流
DAC
计数器
……
这一章我们将学习用于偏置电路和信号处理电路中的电流镜。在
学习基本电流镜之后, 我们将学习共源共栅电流镜。接下来，我们
将分析有源电流镜，以及有源电流镜负载的差分对电路的各种特性。
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差动放大器的电流源
VDD
RD1
＋
X
Vin,com
M1
Vb
RD2
Vout －
Y
M2
ISS
M3
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6.1
基本电流镜
基本电流源的实现方法：
VDD
1
W
Iout  nCox (VGS VT )2 ,
2
L
Iout
R2

VDD
R1  R2
R1
这个电流源总是稳定的
吗?
R2
VGS
M1
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共模电压问题
影响因素：
电源电压, 集成电路制造工艺, 温度
Vgs 不恒定。
如果Vgs 很精确, Id
为什么?
也不恒定。
由于工艺和温度的原因， μ,
Vth会变化
我们必须找到另一个方法得到MOS电流源。
方法是：从一个恒定的电流源中镜像!
怎么复制?
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电流的复制
电流镜
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基本电流镜
如果两个MOS管都工作在饱和区，并且忽略体效应， 得到：
I out
W 
W
 ( )2 /( )1   I ref
L 
 L
可以精确的复制电流，输出电流几乎不受工艺和温度的影响!
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电流源和电流沉
VDD
IREF
Iout2
Iout1
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放大器偏置的一个例子
所有的
MOS都应该有相同的沟道长度!宽度可成比例变化。
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另外一个例子
Av=?
VDD
M2
(W / L)3
AV  g m1RL
(W / L) 2
M3
Vout
电流的传递!
Vin
M1
RL
1
AV  g m1  g m3  (ro1 ||
|| ro 2 )  (ro3 || RL )
gm2
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6.2
共源共栅电流镜
如果考虑沟长调制效应的影响：
I OUT
1
W
 u n C ox (VGS  VTH ) 2 (1  VDS )
2
L
I D 2 (W / L)2 (1  VDS 2 )

I D1 (W / L)1 (1  VDS 1 )
基
本
电
流
镜
的
缺
点
因为负载不恒定,所以输出电压会变化
我们应该减小沟道调制的影响。
或者采用其它方法?
VDS 1  VDS 2
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6.2.1
共源共栅电流镜构成
VDD
P
IREF
Vb
Iout
M3
X
Y
M1
M2
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有偏置电压 Vb的共源共栅电流镜
VDD
IREF
P
Iout
M4
M3
X
Y
M1
M2
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共源共栅电流镜与基本电流镜的差异
Vin
固定为
VG1,观察Vout (VDS) 从
0
到
3V变化时的输出电流
哪一个更加适合电流源的应用?
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电流源的电压余度
VDD
IREF
Iout
X
M1
Vy min  VGS 2  VT 2  1Vod 2
Y
M2
+
VT+VOD
-
+
VOD
-
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电压余度
VDD
Vp min  VGS 3  Vod 2  VTH 3
P
IREF
Iout
Vb M3
X
M1
+
VT+VOD
-
M2
+
VT+VOD
-
2
+
VOD
-
Y
+
VOD
-
 Vod 1  Vod 3
 2Vod
注意此处：
VX  VY
因此不能实现电流电流的精确复
制
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电压余度
3
VDD
Vp min  Vod 3  VGS 2
IREF
 Vod 3  VGS 2  VTH 2  VTH 2
P
2VT+2VOD
Iout
M4
X
M1
M3
+
+
VT+VOD VT+VOD
-
+
VDS3
-
Y
 2Vod  VTH
此处有：
M2
+
VT+VOD
-
V X  VY
因此能实现电流电流的精确复制
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6.3
6.3.1
有源电流镜
有源电流镜
电流镜可以用在为有源电路提供直流偏置电流的电路中。
电流镜还可以像有源器件一样来处理信号。
这些电流镜称为 “有源电流镜”。
M 1 M2
Iin
Iout
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带有源电流镜负载的差动放大器
M3
叫做
 i
 i
＋
M4
Vout
此电路被广泛
应用！
 i
M1
OTA。
M2
Vin
－
ISS
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6.3.2
有源电流镜负载差分放大器大信号分析
IDD=ISS+IL
IDD=ISS
M3
M3
M4
M4
Vout
＋
M1
M2
Vout
＋
Vin＝0
M1
M2
Vin>0
－
－
ISS
ISS AC
DC
如果没有负载电流源 ，会出现什么情况？
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共模输入范围
M3
M4
Vout
＋
X
Y
M1
M2
Iout
Vin
－
Vb
M5
ISS
• 由M1/M2/M5饱和：
Vincommin  VGS 1,2  Vb VTN
• 由M4/M2饱和，以及VDD：
Vincommax  VDD  VOV  VTHN
• 由M1/M3饱和，以及VDD：
Vincommax  VTHN  (VDD  VGS 3 )
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6.3.3
有源电流镜负载差分放大器小信号分析
M3
M4
Vout
＋
X
Y
M1
M2
Iout
Vin
－
Vb
M5
ISS
我们是否 能用“半边电路法”
我们是否能用 “叠加法” ?
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?
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不能用半边电路法来分析
M3
M4
Vout
X
M1
＋
P M2
Iout
Vin
－
Vb
M5
ISS
X点和输出点在节点P的作用不能互相抵消，从而该
节点不能看作虚地点！
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小信号分析方法
：GmRout
M 3 F M4
Gm?
X
I out  I D 2  I D 4  I D 2  I D1
 gm2
Vin
Vin
 g m1
  g m12Vin
2
2
ID1
+Vin/2
ID4
Iout Vout
ID2
-Vin/2
＋
Vin
M2
M1
－
Vb
I out
Gm 
 g m1,2
Vin
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M5
ISS
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小信号分析方法
M3
M4
：
GmRout
1
|| ro 3
g m3
IX2
IX
M4
IX
RXY
M2
M1
＋
VX
RXY
－
Vx
2ro1,2
＋
－
2ro1, 2
IX1
I x1 
VX
Vx

1
2ro1,2

g m3
Vx
I x2 
ro 4
Vx
Vx
1
1
Ix  2

 Vx (
 )
2ro1,2 ro 4
ro1,2 ro 4
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I x  2I x1  I x 2
Rout?
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小信号分析方法
：
GmRout
Rout  ro2 || ro4 , (2ro1,2  [1/ gm 3 ] || ro3 )
ro 2 ro 4
Av  Gm Rout  gm1,2
ro 2  ro 4
Av 和Rout 与简单的恒流源负载共源级放大器相同。
优势：差动输入  单端输出。从而得到差模增益。
劣势：功耗是共源级放大器的两倍。
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6.3.4
有源电流镜负载差分放大器的共模响应
Vb
M3
M4
＋
Vout －
Vin,com
M1
M3
Vin,com
ISS
Acm dm
Vout
X
M2
Vod

Vic
M4
Y
M1
M2
ISS
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Voc
Acm 
Vic
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共模性质
M3
Y
X
Vin,com
M1
RL
M4
ro 3, 4
1
||
2 g m 3, 4 2
Vout
Vout
ro 2
2
M2
Vin,com
M2
ISS
令
RSS
M3=M4：
假设ro3,ro4,ro1,ro2无穷大：
Acom
2 gm1,2
gm1,2
Vout
1
1



Vincom
1  2 gm1,2 RSS 2 gm3,4 1  2 gm1,2 RSS gm3,4
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CMRR
ADM
CMRR 
ACM
 g m1, 2 (ro1, 2 || ro3, 4 )
g m3, 4 (1  2 g m1, 2 RSS )
g m1, 2
 gm3,4 (ro1,2 || ro3,4 )(1  2gm1,2 RSS )
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考虑失配的CMRR
M1和M2失配情况下的CMRR?
Vout
Vin,CM
g m1  g m 2 ro3  g
m3

1   g m1  g m 2 RSS
详见课本
gm2
P130。
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Thanks!