电流镜和参考源_清华大学模拟集成电路分析与设计

清华大学微电子学研究所Mar.31,2008电流镜和参考源池保勇010-62795096(O)清华大学微电子学研究所设计室清华大学微子学研究所设计z参考书：P.R.Gray,“AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§4.2、§A.4.1.2、§4.4g,z教材：BehzadRazavi，“DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits”,§5.1、§5.2、§11g,提要提要镜本特性简单镜z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共栅镜低共共栅型电流镜z参考源Widlar电流源电源电压不灵敏型z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电流镜PRGray“AnalysisandDesignofP.R.Gray,“AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§4.2z将输入支路的电流拷贝到输出什么是电流镜？z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，本质上是一个电流放大器本质上是一个电流放大器z电流增益：OUTI=αz实现：INI=α‹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）‹输入电流转换为参考电压)(),(1IfVVfIGG−==ININGOUTIIffVfI===−))(()(1‹输入电流转换为参考电压；参考电压转换为输出电流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提供偏置电流作负载元件提供偏置电流衡量电流镜的性能z输入阻抗：衡量输入电压随输入电流的变化，尽量小z输出阻抗：衡量输出电流随输出电压的变化，尽量高II1)/(−∂∂=outoutoVIRz电流增益误差：‹系统误差电路结构本身引入的误差idealidealOUTOUTII_OUT_I−=ε‹系统误差：电路结构本身引入的误差‹随机误差：工艺偏差引入的误差z对输入、输出电压的要求z噪声噪声简单MOS型电流镜1Wz饱和区晶体管I－V曲线：)0(=λ2')(21tGSnVVLWkI−=电流增益：222')()()(21LWVVLWkItINnOUT=−==α电流增益：121')()()(21LWVVLWkItINnIN−α简单MOS型电流镜z设计电流增益为2)/(LWMIOUT===αz设计电流增益为：1)/(LWNIINαN‹晶体管宽度不变，长度作比例变化12LMNL=‹晶体管长度不变，宽度作比例变化12WNMW=‹M个相同的晶体管并联作M2，N个相同的晶体管并联作M1N个相同的晶体管并联作个相同的晶体管并联作第三种方案好于第种第种方案好于第种（工艺偏差）NWWMWW==12,z第三种方案好于第二种，第二种方案好于第一种（工艺偏差）2(/)4OUTIWLMα====1(/)ININWL简单MOS型电流镜简单MOS型电流镜输电z输入电压：'112IVVVVVINtovtGSIN+=+==最小输出电压处于饱和区111)/(LWkntovtGSINz最小输出电压：M2处于饱和区2I2'2(min))/(2LWkIVVnOUTovOUT==简单MOS型电流镜简单型电流镜z输出阻抗的计算：)1()()(2122'OUTtINnOUTVVVLWkIλ+−=饱和区晶体管I－V曲线：‹上式说明输出电流会随着输出电压的变化而变化)()()(22OUTtINnOUTL饱和区晶体管IV曲线：‹上式说明输出电流会随着输出电压的变化而变化输出阻抗11I∂输出阻抗：211)(oOUToutoutorIVIR==∂∂=−λ简单MOS型电流镜简单MOS型电流镜电流增益系统差z电流增益系统误差：L)/W(ININidealOUTIILWLIα==12_)/()/W(理想情况：OUTOUTtINnOUTVLWVVVLWkIλλ+=+−=1)()1()()(21222'实际情况ININtINnINVLWVVVLWkIλλ++−1)()1()()(21121'实际情况：)()(111I1ININOUTINOUTOUTVVVVVVI−≈−=−++=−=λλλλαε)()1(11_OUTINOUTININidealVVVII≈+===λλαε简单MOS型电流镜的随机失配1W1W2111)()(21tGSoxnDVVLWCI−=μ2222)()(21tGSoxnDVVLWCI−=μ221DDDIII+=21DDDIII−=Δ11()noxWCLβμ=121[]2βββ=+12βββΔ=−22()noxLWCLβμ=221tttVVV+=21tttVVV−=Δ定义DVgIββΔΔΔΔ定义()/2tmDtDGStDVgIVIVVIββββΔΔΔΔ=−=−Δ−减小随机误差：增大VGS－Vt（减小gm/ID)，与输出电压低的要求矛盾随机失配与成品率（Yield）随机失配与成品率222()DtmIVgIβσσσΔΔΔ=+()/2tmDtVgIVIVVIββββΔΔΔΔ=−=−ΔDtDDIIββ()/2DGStDIVVIββ−2322(1%)(710)(10)169%σ−×+()()(10)1.69%500.35500.35DDIIσΔ=+=××随机失配与成品率（Yield）z随机失配服从高斯分布随机失配与成品率（Yield）随机失配与成品率（Yield）z成品率=性能满足要求的芯片所占比例z成品率=性能满足要求的芯片所占比例zE.g.need±3.4%matchingzσ=169%C=34/169=2yield=954%zσ=1.69%,C=3.4/1.69=2,yield=95.4%z典型设计目标:±3σ(“6σ”),i.e.C=3简单CMOS电流镜的噪声z输出端的噪声电流：2222iii2222212214()onddiiikTggfαγα=+=+Δ212()4(1)mmmkggfkTgfγαγα=+Δ24()(1)mINDgkTIfIγαα=+Δz低噪声：‹减小电流增益DIbigC‹减小电流增益‹减小(gm/ID)Æ与输出电压低的要求矛盾‹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）简单MOS型电流镜z输出电流随输出电压的变化而变化z存在电流增益系统误差而且误差随输出电压变化z存在电流增益系统误差，而且误差随输出电压变化z最小输出电压：ovOUTVV=(min)共源共栅（Cascode）MOS型电流镜zM1、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增误OUTVVIVVV===2VINtnbGSYVVLWkVVV=−−=−=44'4b)/(VCascode电流镜z输出阻抗：1])(1[)(rrggrIoutRo+++∂−22444])(1[)(oombmorrggrVoutRo+++=∂=Cascode电流镜Cascode电流镜z电流增益系统误差：0)(≈≈VVλεz输入电压0)(12≈−≈DSDSVVλεz输入电压：ovtGSGSINVVVVV2231+≈+=z最小输出电压：M2、M4饱和ovtGSGSIN31最小输出电压：M2、M4饱和ovtDSGSDSDSOUTVVVVVVV24142(min)+≈+≈+=Cascode电流镜z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z没有电流增益系统误差z没有电流增益系统误差z最小输出电压：ovtOUTVVV2(min)+≈低压Cascode电流镜Y4VbGSVV=−X3VbGSVV=−Y4bGSM1、M2的漏源电压相等，电流增益系统误差为0电流增益系统误差为0偏置电压考虑（Vb）：(min)444OUTYovbGSovVVVVVV=+=−+(min)444OUTYovbGSov降低VOUT(min)，要求降低Vb，Vb的取值要保证晶体管M2饱和242VYbGSovVVV=−≥Vb的最优取值：VVV=+Vb的最优取值：此时：24bovGSVVV=+(min)24OUTovovVVV=+V的取值要保证M饱和：VVVV≤Vb的取值要保证M3饱和：13GSINtbVVVV=≤−2413ovGSGStVVVV+≤+限制条件：Vb的实现方法（1）b为留有一定的设计余量，实际中常用1/5(W/L)实际中常用/5(/)Vb的实现方法（2）bVb的实现方法（3）bVb的实现方法（4）bVb的实现方法（5）b低压Cascode电流镜z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z不存在电流增益系统误差z不存在电流增益系统误差z最小输出电压：ovOUTVV2(min)≈自偏置参考源自偏置参考源Bandgap参考源参考源PRGray“AnalysisandDesignofP.R.Gray,“AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§4.4概述参考源产生个独立于电源电压和工艺并且具z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z性能参数：‹输出电流或者电压y对电路参数x的灵敏度：xyyxxxyySxyx∂∂=ΔΔ=→Δ//lim0利用电阻来产生¾参考源对电源电压的灵敏度输出电流或者电压的温度系数xyxxx∂Δ→Δ/0来产生‹输出电流或者电压X的温度系数：‹输出阻抗XTCF∂∂=1‹噪声‹功耗TXF∂简单的参考源简单的参考源参考源：小电流偏置PRGray“AnalysisandDesignofP.R.Gray,AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§4.4.1.2MOSWidlar电流源：微安量级的电流1VVVIIDDGSDDααα−没有电阻R2时‹电阻R1要求很大，占用大的芯片面积111RRIIDDGSDDINOUTααα≈==没有电阻R2时：1‹输出电流对电源电压的灵敏度11∂RIVSOUTDDOUTIαz忽略衬底调制效应111=≈∂=RVISDDOUTOUTDDOUTIDDVαz忽略衬底调制效应z忽略沟道长度调制效应0221=−−RIVVOUTGSGS0=+VVRI0)/('212=−+ovOUTOUTVLWkIRI0122=−+ovovOUTVVRI)/('122ovOUTLWk12422VR++−有电阻时的2122224)/(')/('RVRLWkLWkIovOUT++=有电阻R2时的输出电流：MOSWidlar电流源z输出电流对电源电压的灵敏度z输出电流对电源电压的灵敏度12224)/('2)/('2VRLWkLWkIov++−ovOUTVVRRVII∂∂=∂∂1242141212222)()(RIOUT=DDovDDOUTVVRLWkRVI∂+∂212224)/('242ININIVIV∂∂∂1211DDININovDDININDDovVIIVVIILWkVV∂∂=∂∂=∂∂221)/('2111VINIDDVovOUTovovOUTIDDVSVRIVVS122214+=0122=−+ovovOUTVVRI12ovOUTINOUTVRIII≈⇒VINIDDVINIDDVovovOUTIDDVSSVVS5.04211=≈参考源：以某一电压标准为参考的电流源参考源：以某电压标准为参考的电流源PRGray“AnalysisandDesignofP.R.Gray,“AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§4.4.2.2概述概述可以参考的电压标准z可以参考的电压标准‹电源电压：对电源电压的灵敏度高‹双极晶体管的基极－发射极电压和MOS管的阈值电压¾负温度系数：－1~－2mV/oC‹热电压¾正温度系数：86uV/oC‹反偏PN结的击穿电压¾要求高电源电压（击穿电压：～6V）¾击穿时产生大量噪声以双极晶体管的基极－发射极电压为参考的电流源的电流源1lnINTBE