1、电流镜和参考源电流镜和参考源提要提要l电流镜：电流镜：基本特性、简单MOS型电流镜、共源共栅 MOS型电流镜、低压共源共栅MOS型电流镜l参考源：参考源：Widlar电流源、电源电压不灵敏型偏置、恒温偏置（Bandgap）电流镜电流镜电流镜的基本特性电流镜的基本特性电流镜结构及其优缺点电流镜结构及其优缺点l将输入支路的电流拷贝到输出将输入支路的电流拷贝到输出支路，给其它子系统提供电流源，支路，给其它子系统提供电流源，本质上是一个电流放大器本质上是一个电流放大器l电流增益：电流增益：l实现：实现：u存在一种器件，流过它的电流与它的一个控制端电压是一一对应的（在器件尺寸一定时）u输入电流转换为参考
2、电压；参考电压转换为输出电流什么是电流镜？什么是电流镜？INOUTII)(),(1IfVVfIGGININGOUTIIffVfI)()(1电流镜的作用：提供电流源电流镜的作用：提供电流源作负载元件作负载元件提供偏置电流提供偏置电流衡量电流镜的性能衡量电流镜的性能l 输入阻抗：输入阻抗：衡量输入电压随输入电流的变化，尽量小l 输出阻抗：输出阻抗：衡量输出电流随输出电压的变化，尽量高l 电流增益误差：电流增益误差：u系统误差：系统误差：电路结构本身引入的误差u随机误差：随机误差：工艺偏差引入的误差l 对输入、输出电压的要求对输入、输出电压的要求l 噪声噪声idealidealOUTOUTII_OU
3、T_I1)/(outoutoVIR简单简单MOS型电流镜型电流镜122122)()()()(21)()(21LWLWVVLWkVVLWkIItINntINnINOUT)0(2)(21tGSnVVLWkIl饱和区晶体管饱和区晶体管IV曲线：曲线：电流增益：电流增益：l设计电流增益为：设计电流增益为：u晶体管宽度不变，长度作比例变化u晶体管长度不变，宽度作比例变化uM个相同的晶体管并联作M2，N个相同的晶体管并联作M1l第三种方案好于第二种，第二种方案好于第一种（工艺偏差）第三种方案好于第二种，第二种方案好于第一种（工艺偏差）简单简单MOS型电流镜型电流镜12)/()/(LWLWNMIIINOUT
4、12LMNL 12WNMW NWWMWW12,21(/)4(/)OUTINIWLMINWL 简单简单MOS型电流镜型电流镜l 输入电压：输入电压：l 最小输出电压：最小输出电压：M2处于饱和区处于饱和区111)/(2LWkIVVVVVnINtovtGSIN22(min)/(2LWkIVVnOUTovOUT 简单简单MOS型电流镜型电流镜l 输出阻抗的计算：输出阻抗的计算：u上式说明输出电流会随着输出电压的变化而变化上式说明输出电流会随着输出电压的变化而变化211)(oOUToutoutorIVIR)1()()(2122OUTtINnOUTVVVLWkI饱和区晶体管饱和区晶体管IV曲线：曲线：输
5、出阻抗：输出阻抗：简单简单MOS型电流镜型电流镜l 电流增益系统误差：电流增益系统误差：)()1()(111I1IN_OUTINOUTININOUTININOUTidealOUTVVVVVIVVIIININidealOUTIILWLI12_)/()/W(INOUTINtINnOUTtINnINOUTVVLWLWVVVLWkVVVLWkII11)()()1()()(21)1()()(21122122理想情况：理想情况：实际情况：实际情况：简单简单CMOS电流镜的噪声电流镜的噪声l输出端的噪声电流：输出端的噪声电流：l低噪声：低噪声：u减小电流增益减小电流增益u减小减小(gm/ID)与输出电压低的
6、要求矛盾与输出电压低的要求矛盾u在栅极增加滤波电容，影响响应速度（见后面的讨论）在栅极增加滤波电容，影响响应速度（见后面的讨论）222 221221224()4(1)4()(1)onddmmmmINDiiikTggfkT gfgkTIfI简单简单MOS型电流镜型电流镜l输出电流随输出电压的变化而变化输出电流随输出电压的变化而变化l存在电流增益系统误差，而且误差随输出电压变化存在电流增益系统误差，而且误差随输出电压变化l最小输出电压：最小输出电压：ovOUTVV(min)共源共栅（共源共栅（Cascode）MOS型电流镜型电流镜lM1、M2的漏源电压相等，减小电流增益误差的漏源电压相等，减小电流
7、增益误差INtnOUTbGSYVVLWkIVVV444b)/(2VCascode电流镜l 输出阻抗：输出阻抗：224441)(1)(oombmorrggrVoutIoutRoCascode电流镜电流镜l 电流增益系统误差：电流增益系统误差：l 输入电压：输入电压：l 最小输出电压：最小输出电压：M2、M4饱和0)(12DSDSVVovtGSGSINVVVVV2231ovtDSGSDSDSOUTVVVVVVV24142(min)Cascode电流镜电流镜l输出电压大于一定值时，输出电流基本不随输出电压大于一定值时，输出电流基本不随输出电压的变化而变化输出电压的变化而变化l没有电流增益系统误差没有
8、电流增益系统误差l最小输出电压：最小输出电压：ovtOUTVVV2(min)低压低压Cascode电流镜电流镜Y4VbGSVVM1、M2的漏源电压相等，的漏源电压相等，电流增益系统误差为电流增益系统误差为0偏置电压考虑（偏置电压考虑（Vb）：）：(min)444OUTYovbGSovVVVVVV降低降低VOUT(min)，要求降低，要求降低Vb，Vb的取的取值要保证晶体管值要保证晶体管M2饱和饱和X3VbGSVV42VYbGSovVVVVb的最优取值：的最优取值：此时：此时：24bovGSVVV(min)24OUTovovVVVVb的取值要保证的取值要保证M3饱和：饱和：13GSINtbVVV
9、V2413ovGSbGStVVVVV限制条件：限制条件：Vb的实现方法（的实现方法（1）为留有一定的设计余量，为留有一定的设计余量，实际中常用实际中常用1/5(W/L)Vb的实现方法（的实现方法（2）Vb的实现方法（的实现方法（3）Vb的实现方法（的实现方法（4）Vb的实现方法（的实现方法（5）低压低压Cascode电流镜电流镜l输出电压大于一定值时，输出电流基本不随输出电压大于一定值时，输出电流基本不随输出电压的变化而变化输出电压的变化而变化l不存在电流增益系统误差不存在电流增益系统误差l最小输出电压：最小输出电压：ovOUTVV2(min)参考源参考源自偏置参考源自偏置参考源Bandgap
10、概述概述l 参考源：参考源：产生一个独立于电源电压和工艺、并且具有特定温度特性的直流电压或者直流电流l 性能参数：性能参数：u输出电流或者电压输出电流或者电压y对电路参数对电路参数x的灵敏度：的灵敏度：参考源对电源电压的灵敏度参考源对电源电压的灵敏度u输出电流或者电压输出电流或者电压X的温度系数：的温度系数：u输出阻抗输出阻抗u噪声噪声u功耗功耗xyyxxxyySxyx/lim0TXXTCF1利用电阻利用电阻来产生来产生简单的参考源简单的参考源参考源：小电流偏置参考源：小电流偏置MOS Widlar电流源：微安量级的电流电流源：微安量级的电流u电阻电阻R1要求很大，占用大的芯片面积要求很大，占
11、用大的芯片面积u输出电流对电源电压的灵敏度输出电流对电源电压的灵敏度l 忽略衬底调制效应忽略衬底调制效应l 忽略沟道长度调制效应忽略沟道长度调制效应111RVRVVIIDDGSDDINOUT111RRVIIVSDDOUTOUTDDOUTIDDV0221RIVVOUTGSGS0122ovovOUTVVRI0)/(2122ovOUTOUTVLWkIRI2122224)/(2)/(2RVRLWkLWkIovOUT有电阻有电阻R2时的时的输出电流：输出电流：没有电阻没有电阻R2时：时：MOS Widlar电流源电流源l 输出电流对电源电压的灵敏度输出电流对电源电压的灵敏度DDovovDDOUTOUTV
12、VRVRLWkRVII12122244)/(214121DDININovDDININDDovVIIVVIILWkVV221)/(2111INIDDVovOUTovovOUTIDDVSVRIVVS1222140122ovovOUTVVRI12ovOUTINOUTVRIIIINIDDVINIDDVovovOUTIDDVSSVVS5.042112122224)/(2)/(2RVRLWkLWkIovOUT参考源：以某一电压标准为参考的电流源参考源：以某一电压标准为参考的电流源概述概述l可以参考的电压标准可以参考的电压标准u电源电压：对电源电压的灵敏度高电源电压：对电源电压的灵敏度高u双极晶体管的基极发
13、射极电压和双极晶体管的基极发射极电压和MOS管的阈管的阈值电压值电压负温度系数：负温度系数：12mV/oCu热电压热电压正温度系数：正温度系数：86uV/oCu反偏反偏PN结的击穿电压结的击穿电压要求高电源电压（击穿电压：要求高电源电压（击穿电压：6V）击穿时产生大量噪声击穿时产生大量噪声以双极晶体管的基极以双极晶体管的基极发射极电压为参考发射极电压为参考的电流源的电流源1221lnSINTBEOUTIIRVRVIINICCVonBETINICCVOUTTOUTICCVSVVSRIVS)(2037.07.0026.07.0026.0INICCVOUTICCVSS)2(211BECCCCBECC
14、INVVRVRVVI数值例子：数值例子：灵敏度：灵敏度：以以MOS管的阈值电压为参管的阈值电压为参考的电流源考的电流源212121)/(2RLWkIVRVVRVIINtovtGSOUTINIDDVGSovINIDDVOUTovOUTIDDVSVVSRIVS112122l以以Vt为参考：为参考：Vov1很小很小u输入电流小输入电流小u(W/L)1大大045.02.21.0)1.01(21.0INIDDVOUTIDDVSS112(2)DDGSDDINDDGSVVVIVVRR灵敏度灵敏度稳定性问题稳定性问题参考源：自偏置（自举）电流源参考源：自偏置（自举）电流源基本原理基本原理l 目的：独立于电源电
15、压的电流源目的：独立于电源电压的电流源l 原理：输入电流是电流源输出电流的拷贝原理：输入电流是电流源输出电流的拷贝u电流源：输出电流与输入电流无关电流源：输出电流与输入电流无关u电流镜：输出电流是输入电流的拷贝电流镜：输出电流是输入电流的拷贝基本原理基本原理l 工作状态分析：稳定点（工作状态分析：稳定点（A）、不稳定点（）、不稳定点（B）u正反馈：环路增益小于正反馈：环路增益小于1是稳定的，大于是稳定的，大于1是不稳定的是不稳定的u实际上，由于电流小，泄漏电流等寄生效应会减小环路实际上，由于电流小，泄漏电流等寄生效应会减小环路增益，使得增益，使得B点是稳定点点是稳定点启动电路启动电路MOS管的
16、阈值电压作参考的自偏置电流源管的阈值电压作参考的自偏置电流源l 若忽略沟道长度调制若忽略沟道长度调制效应，则输出电流对效应，则输出电流对电源电压的灵敏度为电源电压的灵敏度为0212121)/(2RLWkIVRVVRVIINtovtGSOUTINOUTII221124)/(2)/(2RRVLWkLWkItOUTRVRVItGSOUT1TRRTVVTIITCttOUTOUTF111l温度系数：温度系数：启动电路启动电路l 确保总有电流流过参考源中的晶体管，使得确保总有电流流过参考源中的晶体管，使得0状态状态处的环路增益大于处的环路增益大于1，避免陷入，避免陷入0状态状态l 参考源启动后，启动电路不
17、应干扰参考源的工作参考源启动后，启动电路不应干扰参考源的工作启动电路VBE作参考的自偏置电流源作参考的自偏置电流源l CMOS工艺：工艺：pnp管是寄生垂直晶体管管是寄生垂直晶体管RVIBEOUT1INOUTII32GSGSVV热电压热电压VT作参考的自偏置电流源作参考的自偏置电流源l 两个工作在不同电流密度下的两个工作在不同电流密度下的pn结上的电压之差与热电压成结上的电压之差与热电压成正比正比1221lnSSOUTINTEBEBOUTIIIIVVVRIRnVITOUT)ln(TRRTVVTIITCTTOUTOUTF111l温度系数：温度系数：另一种启动电路另一种启动电路参考源：能隙基准源参
18、考源：能隙基准源基本原理基本原理不带缓冲的运放不带缓冲的运放T=T0时时00()(1ln)OUTGTTVVVrnT任意温度任意温度T下（下（T0为温为温度系数为度系数为0的温度点）的温度点）+-降低运放的失调电压降低运放的失调电压对基准源影响的措施对基准源影响的措施l 减小运放的失调电压减小运放的失调电压VOSu运放的失调Cancel技术l 减小增益（减小增益（R2/R1+1)：1221lnSSTEBIIIIVV12212143ln2SSTEBEBEBEBEBIIIIVVVVVVCMOS能隙基准源电路能隙基准源电路低压能隙基准源低压能隙基准源总结总结l电流镜：电流镜：基本特性、简单MOS型电流镜、共源共栅 MOS型电流镜、低压共源共栅MOS型电流镜l参考源：参考源：Widlar电流源、电源电压不灵敏型偏置、恒温偏置（Bandgap）
