第4章恒流源电路精选文档.ppt
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1、第4章恒流源电路本讲稿第一页,共三十八页基本电流镜结构基本电流镜结构 o电流复制的基本原理:电流复制的基本原理:n工作在饱和区的两个相同工作在饱和区的两个相同MOS器件(相同的工艺器件(相同的工艺参数)参数)n具有相同栅源电压;具有相同栅源电压;n其漏极电流完全相等其漏极电流完全相等o实际电路中由于存在沟道调制效应时,漏源实际电路中由于存在沟道调制效应时,漏源电压电压VDS若不相等,则其电流不相等。若不相等,则其电流不相等。本讲稿第二页,共三十八页基本电流镜结构基本电流镜结构o在考虑沟道调制效应时有:在考虑沟道调制效应时有:o从上式可以看出:从上式可以看出:n若已有若已有IR,只要改变,只要改
2、变M1与与M2的宽长比,就可设计出的宽长比,就可设计出Io,该结,该结构即为比例电流镜,构即为比例电流镜,n这种技术有着广泛的应用,如这种技术有着广泛的应用,如:放大器的负载。放大器的负载。o但是由于存在沟道调制效应,且但是由于存在沟道调制效应,且VDS2是一变量,因此是一变量,因此Io实实际上不是一个恒流源。际上不是一个恒流源。本讲稿第三页,共三十八页基本电流镜结构基本电流镜结构o改善改善Io的恒流特性以实现真正意义上的电流源,的恒流特性以实现真正意义上的电流源,原则上有两种方法:原则上有两种方法:n减小以至消除减小以至消除M2的沟道调制效应,即通过增大的沟道调制效应,即通过增大M2的沟道长
3、度,以减小的沟道长度,以减小,增大输出阻抗,从而改善恒,增大输出阻抗,从而改善恒流特性。流特性。n设定设定VDS2VDS1,则,则Io与与IR只与只与M1、M2的宽长的宽长比相关,从而得到具有很好的恒流特性的电流源。比相关,从而得到具有很好的恒流特性的电流源。本讲稿第四页,共三十八页基本电流镜结构基本电流镜结构o因为沟道调制效应在小特征尺寸的因为沟道调制效应在小特征尺寸的CMOS工工艺中是不能消除的,因此通常是采用第二种艺中是不能消除的,因此通常是采用第二种方法来改善电流源的恒流特性,由此而设计方法来改善电流源的恒流特性,由此而设计出了多种恒流源电路结构。出了多种恒流源电路结构。o另外,有时还
4、由于存在不同的体效应,使各另外,有时还由于存在不同的体效应,使各自的阈值电压自的阈值电压Vth不相等,因而其电流也会不相等,因而其电流也会产生偏差,这也可以通过电路的合理设计以产生偏差,这也可以通过电路的合理设计以消除它对电流镜的影响。消除它对电流镜的影响。本讲稿第五页,共三十八页威尔逊电流源威尔逊电流源本讲稿第六页,共三十八页威尔逊电流源威尔逊电流源 o该电流源的基本原理:该电流源的基本原理:n利用负反馈提高电流源的输出阻抗以使电流源利用负反馈提高电流源的输出阻抗以使电流源具有良好的恒流特性。具有良好的恒流特性。本讲稿第七页,共三十八页威尔逊电流源威尔逊电流源o上图中,由于上图中,由于VDS
5、1=VGS3+VGS2,而,而VGS1=VGS2,所以:,所以:VDS1VGS1,因此,因此M1一定工作在饱和区,所以根据饱和一定工作在饱和区,所以根据饱和萨氏方程可得:萨氏方程可得:o由于由于VDS2VGS2,VDS1=VGS2VGS3,即,即VDS1VDS2,所以在这种电流源中,所以在这种电流源中,Io/IR的值不仅与的值不仅与M1、M2的几的几何尺寸相关,还取决于何尺寸相关,还取决于VGS2与与VGS3的值。的值。本讲稿第八页,共三十八页威尔逊电流源威尔逊电流源o根据交流小信号等效电路,可求出电路的输出阻抗。忽根据交流小信号等效电路,可求出电路的输出阻抗。忽略略M3的衬偏效应,则有:的衬
6、偏效应,则有:即有:即有:o假定假定gm1=gm2=gm3,且,且gm1rds11,则上式可简,则上式可简化为:化为:本讲稿第九页,共三十八页威尔逊电流源威尔逊电流源o与基本电流镜结构相比,威尔逊电流源具有与基本电流镜结构相比,威尔逊电流源具有更大的输出阻抗,所以其恒流特性得到了很更大的输出阻抗,所以其恒流特性得到了很大的提高,且只采用了三个大的提高,且只采用了三个MOS管,结构管,结构简单,并可应用在亚阈值区。简单,并可应用在亚阈值区。o但是在前一图中但是在前一图中M3与与M2的的漏源电压仍不相同,因此提漏源电压仍不相同,因此提出了一种改进型的威尔逊电出了一种改进型的威尔逊电 流源,如右图所
7、示。流源,如右图所示。本讲稿第十页,共三十八页改进型威尔逊电流源改进型威尔逊电流源o上图中引入了二极管连接的上图中引入了二极管连接的MOS管管M4。o根据饱和萨氏方程以及前一表达式中的根据饱和萨氏方程以及前一表达式中的Io/IR的的关系,且有:关系,且有:VDS1VGS2VGS3VGS4。设定设定VGS3VGS4,则有,则有VDS1VGS2=VDS2,则有:,则有:本讲稿第十一页,共三十八页改进型威尔逊电流源改进型威尔逊电流源o上式表明:该结构很好消除了沟道调制效应,是上式表明:该结构很好消除了沟道调制效应,是一精确的比例电流源。一精确的比例电流源。o该结构只需四个该结构只需四个MOS管,因此
8、应用较广,且可管,因此应用较广,且可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。o以上结论成立的前提是以上结论成立的前提是VGS4=VGS3,根据饱和萨氏方,根据饱和萨氏方程可以得到其条件为:程可以得到其条件为:本讲稿第十二页,共三十八页共源共栅电流源共源共栅电流源本讲稿第十三页,共三十八页共源共栅电流源共源共栅电流源高输出阻抗恒流源高输出阻抗恒流源 o共源共栅电流源是采用共源共栅结构来促使共源共栅电流源是采用共源共栅结构来促使VDS2VDS1,从而改善恒流特性的一种行,从而改善恒流特性的一种行之有效的电路结构,其电路结构如图所示。之有效的电路结构,其电路结构如图所
9、示。本讲稿第十四页,共三十八页共源共栅电流源共源共栅电流源高输出阻抗恒流源高输出阻抗恒流源o要使上图为恒流源的条件为要使上图为恒流源的条件为VA=VB,即有:,即有:n适当选择适当选择M3与与M4的尺寸,实现的尺寸,实现VGS3VGS4;n而由图可以看出:而由图可以看出:VGS4+VA=VGS3+VB;n因此,若因此,若(W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1,且,且VGS3=VGS4时时可得到可得到VA=VB。o即使即使M4与与M3存在衬偏效应这个结果也成立。存在衬偏效应这个结果也成立。o该结构的输出阻抗为:该结构的输出阻抗为:n由上式可以发现,其输出阻抗很大,大约为基本结构输
10、由上式可以发现,其输出阻抗很大,大约为基本结构输出阻抗的出阻抗的gm4rds4倍。倍。本讲稿第十五页,共三十八页共源共栅电流源共源共栅电流源高输出阻抗恒流源高输出阻抗恒流源o共源共栅结构的共源共栅结构的主要缺点是损失了电压余度主要缺点是损失了电压余度。一般可。一般可采用采用(W/L)3(W/L)1,(W/L)4(W/L)2进行补偿。进行补偿。o为了保证为了保证VDS2VDS1=VGS1成立,根据萨氏方程,可得到成立,根据萨氏方程,可得到M1、M2、M3、M4的几何尺寸必须满足:的几何尺寸必须满足:(W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1,一般取,一般取L1L2L3L4,则,则VG
11、S3VGS4,VGS2VGS1。o总之,该结构的电流仍与基本结构的相同,即仍取决于底总之,该结构的电流仍与基本结构的相同,即仍取决于底层的电流镜(层的电流镜(M1与与M2)。)。本讲稿第十六页,共三十八页低压共源共栅电流源低压共源共栅电流源本讲稿第十七页,共三十八页低压共源共栅结构低压共源共栅结构常数常数Vb的偏置的偏置 o由共源共栅结构演变而来:是一个输出与输由共源共栅结构演变而来:是一个输出与输入短路的共源共栅结构,如图所示。入短路的共源共栅结构,如图所示。本讲稿第十八页,共三十八页低压共源共栅结构低压共源共栅结构常数常数Vb的偏置的偏置o由图可以看出,三极管由图可以看出,三极管M3及及M
12、1处于饱和区的条件分别处于饱和区的条件分别为:为:o即:即:o上式成立的条件是:上式成立的条件是:o即:或即:或VVth1。本讲稿第十九页,共三十八页低压共源共栅结构低压共源共栅结构常数常数Vb的偏置的偏置o在实际电路中只需适当选取在实际电路中只需适当选取M3的尺寸以使它的过的尺寸以使它的过驱驱动电压动电压V保持小于保持小于M1的阈值电压的阈值电压即可得到即可得到Vb的值的值以满足以满足M1与与M3工作于饱和区。工作于饱和区。o选取选取VbVGS3(VGS1Vth1)Vth2V,则输,则输出的最小电压值为出的最小电压值为2V,可以发现采用这种结构增,可以发现采用这种结构增大了输出电压的摆幅。并
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