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1、第五章 无源与有源电流镜 1 简单偏置的电流源 上式说明Iout受很多因素影响：电源、 工艺(不同晶片VTH可能会有100mV的 误差)、温度(n， VTH都受温度的影响) 。因此Iout很难确定。特别是为使M1消 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。 例如，若Von1200mV，VTH有50mV的误差就会使输出 电流产生44的误差。 如何产生精度、稳定性均较好的电流源? 2 用基准来产生电流源 用相对较复杂的电路(有时需 要外部的调整)来产生一个稳 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 IREF的复制 ( IREF常由基准电路(第
2、11章)产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流源 。现在我们关心的是，如何产生一 个基准电流的精确复制呢？ 3 基准电流的简单“复制” 基本电流镜 基本电流镜中，若不 考虑沟道调制效应： 该式表明Iout是IREF的复制且不受 电源电压、温度和工艺的影响。 事实上，VDS1通常是不变的，而VDS2与Iout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 ，0时， Iout不可能是IREF的“精确”复制。 电流镜有何用途？ 4 电流镜运用举例 5 基本电流镜的误差 电流镜中所有MOS管取相同 的沟道长度L，以减小源漏区 边缘扩散(LD)所产生的误差。 Iout如何精
3、确复制Iref? 6 基本共源共栅电流镜 选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复 制! 即使VP变化, 因VY= VP /(gm3r03), 故VXVY , Iout IREF。注意, 这是靠牺牲 电压余度来获得的精度! M0、M3选择合适的宽 长比使VGS0VGS3， 则VX=VY 。 7 基本共源共栅电流镜的摆幅问题 例5.4 画出VX 从一个大的正 电压下降时IX 和VB的草图。 当M3刚退出饱和时VDS3=Von3, 因M3退出饱和以前可以认为VB 基本不变(VB VA/(gm3r03) , 即VB = VA =VGS1(2), 故当M3刚退 出饱和时有: 这比M2和M3
4、同时 退出饱和时的： VXmin = Von3 +Von2 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! M2退出饱和 M3退出饱和 8 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 摆幅损失了一个阈值电压VT的 原因不难发现: 由于M3退出饱 和时VB基本不变, 故为使: VXmin=Von3+Von2 必须使M2在正常工作时VBVon2(1), 由于VA=VB, 也即VAVon2(1), 然而在基本共源共栅镜中 VA=VGS1=Von1+VT, 显然, 为减小基本共源共栅电 流镜输出摆幅的损失必须减小VA的大小。 9 低压共源共栅电流镜的原理 上图中VA
5、=VGS1-VDS2，若选取VDS2 VT , 则： VB = VA Von1(3), 于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本 共源共栅电流镜减小了一个阈值电压VT, 低压 共源共栅电流镜由此得名。 10 低压共源共栅电流镜Vb的产生 左图中, 若(W/L)14=1, (W/L)5=1/4, 记Von=VGS-VT, 若不考虑沟道调制效 应，则: VGS 14= VT + Von。 VC VT + 2Von VA VB Von V0min 2 Von 该电路的缺点是为给M3和M4产生合适的偏置增加了M5支路 ，这给电路带来了附加功耗。下面介绍实用自偏置低压共源 共栅电流镜。 11 实用
6、自偏置低压共源共栅电流镜 例: 假定左图所有MOS管的开启电压均为VT, 若 使M1M4均饱和, IREF应满足什么要求? M3饱和时, VEVC-VT,即: VR=VC-VE =IREFR VT, 故: M1饱和时, VDVA-VT,又因为: (1)式有解要求: 12 例：假定0，IR=100uA，nCox1.4410-5AV-2 M1M8的（W/L）均为400u/5u，完成如下问题： 1. 求图（1）电路的Vomin，并求VA, VB的值。 2. 求图（2）电路的Vomin，并求VC, VD以及电阻R的值 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 了单端输出信号，完
7、成了“双单端”变换 也称“有源”负载 14 有源负载差动对的大信号分析 大信号时, V0max=VDD, V0min=0 V0minVin-VT M2饱和要求: 上式表明小信号时 V0min依赖于输入 共模电平的大小, 为得到最大输出摆幅, 输入共模电平必须尽可能低, 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。 静态时(Vin1=Vin2) ,如果电路完全对称,则 VF=Vout, 证明如下: 假 定VFVout (即ID3ID2, 因ID1=ID3, ID2=ID4, 故ID3ID4, 这与假设矛盾; 反之也成立, 故必有VF=Vout 15 有源负载差动对的不对称摆幅 Rin=
8、1/gm3 Rin=r04 为理解有源差动对的不对称摆幅, 假 定=0, 则流过M1、M2的小信号电流 I/2=gm1（2）Vin/2大小相等,方向相 反。 即AXAY 显然AY AX 16 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， 因电路非完全对称，P点不再是 虚地(为了简化计算，当然也可 认为P点是虚地，我们稍后来作 个比较)，为了帮助大家更好的 理解电路，我们用戴维南定理 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,可 用半电路虚地概念 18 有源负载差动对的小信号增益（2） 由KVL定理，得: 由戴维南定理，显然: 19 有源负载差
9、动对的小信号增益（3） 将虚框内电路看成一个 大节点,由KCL可得: 20 有源负载差动对的小信号增益（4） 代 入 代入 21 有源负载差动对的小信号增益（5） 22 有源负载差动对的小信号增益（6） 这就是输出结点 的小信号增益！ 23 有源负载差动对的小信号增益（7） 24 有源负载差动对的小信号增益（8） 25 有源负载差动对的小信号增益（9） 26 利用半电路近似计算 Gm 27 近似计算 Rout RXY从VX抽取的电流 1:1镜象到M4从 VX抽取的电流 28 有源负载差动对的不对称摆幅 29 有源负载差动对的共模特性 共模增益的定义: 30 有源负载差动对的共模增益 从源级看进
10、去的阻抗 负载电阻 31 有源负载差动对的CMRR 32 例 5.7 左图中，如果VinCM使每一个 输入晶体管的漏电流都产生 I的变化，那么ID3、ID4也会 有相同的变化，因此M4仿佛 提供了M2所需的额外电流， 从而输出电压不需要变化， 即ACM0。解释这一证明中 的不严密性。 33 例 5.7（续） 该值正好等于结点F的电压变化 ，这是显而易见的，因共模电压 变化时，恒有VX=VY。 34 本章基本要求 1. 理解和掌握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 余度而获得的。 2. 理解和掌握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，会求实用低压 共源共栅电流镜中偏置电压Vb和R以及输出电压 摆幅。 3. 会求有源负载差分对的小信号增益，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 响应。 35
