1、1第五章无源与有源电流镜2简单偏置的电流源2 2T TH HD DD D1 12 22 2o ox xn nO OU UT T)V VV VR RR RR R(L LW W2 2C Cu uI 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Iout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Von120
2、0mV，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?3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
3、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？4基准电流的简单“复制”2 2n nO OX XR RE EF F1 1G GS ST TN N C CW WI I=()(V V-V V)2 2L L2 2n nO OX Xo ou ut t2 2G GS ST TN N C CW WI I=()(V V-V V)2 2L L2 2o ou ut tR RE EF F1 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
4、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？5电流镜运用举例6基本电流镜的误差)V V(1 1)V V(V V)L LW W(k k2 21 1I II ID DS S,1 11 12 2T TH H,1 1G GS S,1 11 1n n,1 1r re ef
5、 fD D1 1)V V(1 1)V V(V V)L LW W(k k2 21 1I II I,2 2D DS S2 22 2T TH H,2 2G GS S,2 22 2n n,2 2o ou ut tD D2 2D DS S1 1D DS S2 2r re ef fo ou ut tV V1 1V V1 1I II 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?7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
6、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。8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
7、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 TV V=V V+V 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9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
8、摆幅损失了一个阈值电压VT的的原因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。10低压共源共栅电流镜的原理上图中上图中VA=VGS1-VDS2，若选取，若选取VDS2 VT,则：则：VB=VA Von1(3),于是于是
9、: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。11低压共源共栅电流镜Vb的产生左图中左图中,若若(W/L)14=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 14=VT+Von。VC VT+2VonVA VB VonV0min 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。，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低
10、压共源下面介绍实用自偏置低压共源共栅电流镜共栅电流镜。12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=VC-VE=IREFR VT,T TR RE EF FV VI IR 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 FA AD DR R E E F FG G S S 3 3T TR R E E F FT T3 32 2 I IV V-V V=-I IR R+V V=
11、+V V-I IR R V VR RE EF F2 23 32 2I I R R(1)T TR RE EF F2 23 32 2V V I I R RR RT T2 23 33 3T T2 2V V2 2R R R RR R V V(1)式有解要求式有解要求:13带有源电流镜的差动对该电路的重要特性是将差动输入信号变成了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，完成了单端输出信号，完成了“双双单端单端”变换变换也称也称“有源有源”负载负载14有源负载差动对的大信号分析大信号时大信号时,V0max=VDD,V0min=0V0minVVinin-V-VT TM2饱和要求饱和要求:上式表明
12、小信号时上式表明小信号时V0min依赖于输入依赖于输入共模电平的大小共模电平的大小,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=Vout15有源负载差动对的不对称摆幅Rin=1/gm
13、3Rin=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AXAYi in nm m1 1(2 2)X X0 01 1m m3 3m m3 3g gV VI I V V=(/r r)2 2g g2 2g gY42421 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 XX Xi in nm m3 3g gV VA A=V V2 2g gY YY Y0 04 4
14、0 02 2m m1 1(2 2)i in nV VA A=g g(r r/r r)V V显然显然AY AX16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，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。17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
15、概念18有源负载差动对的小信号增益（2）i in ni in ne eq qm m2 20 02 2m m1 10 01 1i in n 0 01 1m m1 1(2 2)(2 2)V VV VV V=-g g(-)r r+g gr r=g gV V r r2 22 2由由KVL定理，得定理，得:e eq q0 01 10 02 20 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:19有源负载差动对的小信号增益（3）0eqXeq0eqXeq03(4)03(4)m3(4)m3(4)1 1V=V+I(R+r/)V=V+I(R+r/)g g将虚框内电路看
16、成一个将虚框内电路看成一个大节点大节点,由由KCL可得可得:0 03 33 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 Ir rr r20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)m m3 3(4 4)1 1g g1 1I I=I I=I I I I I I1 11 1+g gr rr r+g g0 03 33 31 1X Xm m3 3(4 4)r r
17、0 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 Ir rr r0 03 3(4 4)1 1X XX X0 03 3(4 4)m m3 3(4 4)r rI I=I II I1 1r r+g g代代入入代入代入21有源负载差动对的小信号增益（5）0 03 33 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 Ir rr r0 0e eq q0 0i in nm m1 1(2 2)0 0
18、1 1(2 2)0 0e eq q0 03 3(4 4)0 01 1(2 2)V V-V VV V-g gr rV VV V-=2 2=2 2r rR R2 2r r0 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 Vr r22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(4 4)r r(1 1+)V V=g gr rV Vr rm m1 1(2 2)0 01 1(2 2)0 0V Vm m1 1(2 2)0 01
19、 1(2 2)0 03 3(4 4)0 01 1(2 2)i in n0 03 3(4 4)g gr rV VA A=g g(r r/r r)r rV V1 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 3V V3 3i in nV VA A=?V V23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 0V Vm m1 1(2 2)0 01 1(2 2)0 03 3(4 4)0 01 1(2 2)i in n0 03 3(4 4)g gr rV VA A=g g(r r/r r)r rV V1 1+r r0 0e eq qi in ni
20、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 Xe 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)V Vg gr rV VI I I I=R R2 2r r2 2(r r+r r)24有源负载差动对的小信号增益（8）1 1m m3 3(4 4)m m1 1(2 2)0 01 1(2 2)3 3V V3 3i in ni in nm m3 3(4 4)0 01 1(2 2)0 03 3(4 4)1 1I Ig gg gr
21、 rV VA 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 Xe 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)V Vg gr rV VI I I I=R R2 2r r2 2(r r+r r)25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 0V Vm m1 1(2 2)0 01 1(2 2)0 03 3
22、(4 4)0 01 1(2 2)i in n0 03 3(4 4)g gr rV VA A=g g(r r/r r)r rV V1 1+r r1 1m m3 3(4 4)m m1 1(2 2)0 01 1(2 2)3 3V V3 3i 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 1I Ig gg gr rV VA A=g g(r r/r r=V VV V2 2g gr r+r r)=A A(26利用半电路近似计算 Gm/2 2V Vg gI I /2 2V Vg gI II I
23、I Ii in nm m1 1,2 2D D2 2i in nm m1 1,2 2D D4 4D D3 3D D1 1m m1 1,2 2m mi in nm m1 1,2 2D D4 4D D2 2o ou ut tg gG G,V Vg gI II II I27近似计算 Routr ro o4 4V V1 1/g g2 2r rV V2 2I IX Xm m3 3o o1 1,2 2X XX X)r r|1 1/g g(2 2r r r r|r rR Ro o3 3m m3 3o o1 1,2 2,o o4 4o o2 2o ou ut tRXY从从VX抽取的电流抽取的电流1:1镜象到镜象
24、到M4从从VX抽取的电流抽取的电流)r r|(r(rg gA Ao4o4o2o2m1,2m1,2v v28有源负载差动对的不对称摆幅1 1m m3 3(4 4)m m1 1(2 2)0 01 1(2 2)V VY Y3 3V VX Xi 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 1I Ig gg gr rV VA A=V VV V2 2g g(r r+r r)g g(r r/r r)=A A1V VX XV VY Ym m3 3(4 4)0 03 3(4 4)A A1 1=A A2
25、 2g gr r29有源负载差动对的共模特性C CM Mi in n,o ou ut tC CM MV VV VA A共模增益的定义共模增益的定义:30有源负载差动对的共模增益m3,4m3,4m1,2m1,2SSSSm1,2m1,2SSSSm1,2m1,2o3,4o3,4m3,4m3,4CMCMg gg gR R2g2g1 11 1R R2g2g1 12 2r r|2g2g1 1A A从源级看进去的阻抗从源级看进去的阻抗负载电阻负载电阻D DV VS Sm mR RA A=1 1+R Rg g31m m3 3,4 4m m1 1,2 2S SS Sm m1 1,2 2S SS Sm m1 1,
26、2 2o o3 3,4 4m m3 3,4 4C CM Mg gg gR R2 2g g1 11 1R R2 2g g1 12 2r r|2 2g g1 1A A有源负载差动对的CMRRCMCMDMDMA AA ACMRRCMRR m m1 1,2 2S SS Sm m1 1,2 2m m3 3,4 4o o3 3,4 4o o1 1,2 2m m1 1,2 2g g)R R2 2g g(1 1g g)r r|(r rg g)R R2 2g g)(1 1r r|(r rg gS SS Sm m1 1,2 2o o3 3,4 4o o1 1,2 2m m3 3,4 432例 5.7左图中，如果左
27、图中，如果VinCM使每一个使每一个输入晶体管的漏电流都产生输入晶体管的漏电流都产生 I的变化，那么的变化，那么ID3、ID4也会也会有相同的变化，因此有相同的变化，因此M4仿佛仿佛提供了提供了M2所需的额外电流，所需的额外电流，从而输出电压不需要变化，从而输出电压不需要变化，即即ACM0。解释这一证明中。解释这一证明中的不严密性。的不严密性。33例 5.7（续）F F0 03 3m m3 31 1 V V=I I(/r r)g g0 03 3D D4 4m m4 4F Fm m4 4m m3 3 0 03 3r r|I I|=g g V V=g g I I1 1+g g r r0 03 30
28、 04 4m m3 3 0 03 3o ou ut tm m4 40 04 4m m3 3 0 03 3r rV V=(g g I I-I I)1 1I Ir r1 1+g g r rr r1 1+g g r r该值正好等于结点该值正好等于结点F的电压变化的电压变化，这是显而易见的，因共模电压，这是显而易见的，因共模电压变化时，恒有变化时，恒有VX=VY。34本章基本要求理解和掌握理解和掌握共源共栅电流镜为何比基本电流镜精共源共栅电流镜为何比基本电流镜精度更高的原因，精度的提高是靠消耗更多的电压度更高的原因，精度的提高是靠消耗更多的电压余度而获得的。余度而获得的。理解和掌握理解和掌握低压共源共栅电流镜为何比普通共源低压共源共栅电流镜为何比普通共源共栅电流镜输出摆幅更小的原因，共栅电流镜输出摆幅更小的原因，会求实用低压会求实用低压共源共栅电流镜共源共栅电流镜中偏置电压中偏置电压Vb和和R以及输出电压以及输出电压摆幅。摆幅。会求会求有源负载差分对的小信号增益，有源负载差分对的小信号增益，理解和掌握理解和掌握有源负载差分对的不对称输出摆幅特性及其共模有源负载差分对的不对称输出摆幅特性及其共模响应。响应。35作业：5.1,5.8,5.10,5.12
