模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第5章无源和有课件.ppt

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1、2本讲 电流镜基本电流镜共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小信号特性共模特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计3明确几个概念电流源Current source电流沉Current sink电流镜Current Mirror无源电流镜Passive Current Mirror用做产生直流偏置电流时有源电流镜Active Current Mirror象有源器件一样用作小信号处理时“有源有源/无源电流镜无源电流镜”概念仅在概念仅在Razavi书中出现书中出现西电微电子学院董刚模拟集成电路设计4本讲 电流镜基本电流镜共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小

2、信号特性共模特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计5电流源AIC中经常需要电中经常需要电流源对电流源的期望电流值能由设计者方便地设定在某一期望值，并且电流值的偏差能被控制在一定范围内电流值往往会随工艺、电源、温度等变化而变化电阻、电容、噪声等如何电路实现并可设、精确、稳定？西电微电子学院董刚模拟集成电路设计(确、稳定，很难实用6基于电阻分压的电流源电流值对工艺、电源、温度等变化敏感不同芯片阈值偏差可达100mVn、VTH随温度变化输出电压范围大于M1管的VOV即可为了输出电压范围较大，VOV取典型值200mV若VTH改变50mV，则IOUT改变44I OUT n Cox W R22 L R2+

3、R1VDD VTH)2 评价：电流值无法精西电微电子学院董刚模拟集成电路设计7基于基准电流的电流源原理IREF基准电流由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第11章），是一个重要、活跃的研究领域基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺偏差、温度变化等不敏感）基于IREF，“复制”产生所需各电流常用复制方法是先把IREF转换为电压，在由该电压转换为电流西电微电子学院董刚模拟集成电路设计I REF =n C ox W112基本电流镜等量复制镜面基本电流镜(VGS VTH)2 LI out =ff (I REF)=I REFI REF =f(VGS)VGS =f (I REF)忽略了的影响（会影响

4、复制精度）Iout也可以不等于IREF西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 8(2(29基本电流镜比例复制I REF =n C ox W2 L)1(VGS VTH)I out =n C ox W2 L)2(VGS VTH)设计者通过合理设计M1和和M2管的尺寸比，管的尺寸比，即可获得期望的电流I out=(W/L)2(W/L)1 I REF若IREF精准、稳定，合理设计M1管和M2管的尺寸和位置，使它们的VTH、n、COX等工艺参数匹配度高、W/L比值在一定精度内，则可获得一定精度且稳定的Iout西电微电子学院董刚模拟集成电路设计10基本电流镜在差分放大器中的应用高输出摆幅、高增益的二极管接法M

5、OS管做负载的差分放大器西电微电子学院董刚模拟集成电路设计11高输出摆幅的差分放大器见教材P104，图4.33西电微电子学院董刚模拟集成电路设计Wn(W/L)1单级共源放大器提高输出摆幅M1管偏置在饱和区，漏电流为管偏置在饱和区，漏电流为I1，IS=0.75I1I D 2=I D14g m =2 n C oxWLI DA v =g m 1g m 2=4 n(W /L)1 p (W /L)2 n(WL)1(VGS 1 VTH 1)2 4 p()2(VGS 2 VTH 2)2L|VGS2 VTH2|(VGS1 VTH1)4p(W/L)2 4 VSG2=1.2V。若。若VDD=3.3V，则，则若要求

6、Av=-10，当，当 Av VOV1=200mV、VTH=0.7V时，时，Vout不能大于2.1V西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 1213电流镜中晶体管的L通常设计为相同I out=(W/L)2(W/L)1 I REF为什么取L1=L2？Iout=(Weff/Leff)2(Weff/Leff)1 IREF=Weff 2 Leff 1Weff 1 Leff 2 IREF横向扩散和场氧化层侵蚀会使LeffLdrawn、WeffWdrawnL eff =L drawn DLWeff =Wdrawn DW西电微电子学院董刚模拟集成电路设计=14电流镜中晶体管的L通常设计为相同I out =(Wef

7、f /Leff)2(Weff /Leff)1 I REF=Weff 2 Leff 1Weff 1 Leff 2 I REF当L1=L2时当L1L2时Leff 1Leff 2=Ldrawn1 2LD Ldrawn1 Leff 1 Ldrawn1 2LD Ldrawn1Ldrawn2 2LD Ldrawn2 Leff 2 Ldrawn2 2LD Ldrawn2结论：取L1=L2，便于获得期望的精确电流值西电微电子学院董刚模拟集成电路设计于W之间的比值=I out =I REF =Wdrawn1 DWWeff 1m(Wcell DW)m I REF15电流镜中晶体管的W的取值方法I out=Weff

8、 2 Leff 1Weff 1 Leff 2 I REF =Weff 2Weff 1 I REF 电流复制精度取决当W1=W2时当W1W2时Weff 1Weff 2=Wdrawn 1 DW Wdrawn 1Wdrawn 2 DW Wdrawn 2Weff 1Weff 2Wdrawn 1Wdrawn 2取Wdrawn1=mWcell，Weff 2 Wdrawn 2 DWWdrawn2=nWcell，m、n为整数为整数通过多个单元晶体管=I REF =I REF并联实现M1和M2 n(Wcell DW)n西电微电子学院董刚模拟集成电路设计m=16电流镜中晶体管的W的取值方法I out =Weff

9、2Weff 1 I REFm(Wcell DW)n(Wcell DW)I REF =I REFn西电微电子学院董刚模拟集成电路设计(2nCox W2=1=()=17基本电流镜的不足电流复制误差较大，受影响I REF =nCox W2 L)1(VGS VTH)(1+VDS1)Iout=2 L()2(VGS VTH)(1+VDS 2)通常VDS2都不等于VDS1，导致误差I outI REF(W/L)2(1+VDS 2)(W/L)1(1+VDS 1)沟道长度小时，误差会很大解决方法：采用共源共栅结构，提高输出电阻1 dX d 第二项由VA Leff dVDS 工艺决定西电微电子学院董刚模拟集成电路

10、设计18本讲 电流镜基本电流镜共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小信号特性共模特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计313119原理合理设计Vb的值，使VY=VX，则Iout可以非常接近IREF，并且Iout对VP变化不敏感因为共源共栅级能屏蔽VP对VY的影响代价：牺牲了输出电压摆幅 V Y V P(g m 3 +g mb 3)rO 3没有M3管时：V P V GS 1 V TH =V OV 1 如何产生Vb？有M3管时：V b V GS 3 +V Y =V GS 3 +V X =V GS 3 +V GS 1V P V b V TH V GS+V GS V TH =V

11、GS+V OV西电微电子学院董刚模拟集成电路设计1 V outmb 2 )rO 2共源共栅级的屏蔽特性XXVout端有Vout的电压跳变时，表现在X点的电压跳变很小，屏蔽了输出节点对输入管的影响 V X =rO 11+(g m 2 +g mb 2 )rO 2 rO 1 +rO 2 V out(g m 2 +g 西电微电子学院董刚模拟集成电路设计2021Vb产生方法对Vb有什么要求？使VY=VXVN =VX +VGS 0VY =VN VGS3=VGS 0 VGS3+VX只要VGS0=VGS3，即可VX=VY只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1西电微电子学院董刚模拟集成电路设

12、计22Vb产生方法（续）VY =VN VGS3=VGS 0 VGS3+VX只要VGS0=VGS3，即可VX=VY只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1V GS =2 I D n C OX (W /L)+V TH有体效应时亦成立西电微电子学院董刚模拟集成电路设计23输出摆幅问题优点提高了输出电阻，从而提高了电流复制精度高缺点降低了输出摆幅VN VGS 3+VY =VGS 3+VX =VGS 3+VGS1V P Vb VTH VGS 3 +VGS 1 VTH=VGS 3 +VOV 1 =VTH 3 +VOV 3 +VOV 1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计如何提高输出摆幅？2

13、4提高输出摆幅提高方法降低Vb的值原理要保证M1和M2都工作在饱和区，需要Vb满足：VOV1+VGS2 Vb VGS1+VTH2输出电压的最小值：Vout,min=Vb VTH4Vb取最小允许值时，Vout,min最小，输出摆幅此时最大Vb的最小值为：Vb,min=VOV1+VGS 2Vout,min=VOV1+VGS2 VTH4 VOV1+VOV2在提高摆幅的同时，仍有VA=VB，仍可保证高精度复制电流西电微电子学院董刚模拟集成电路设计V25Vb的产生方法对Vb的要求：OV1+VGS2 Vb VGS1+VTH2Vb,min=VOV1+VGS 2 Vout,min VOV1+VOV 2Vb=V

14、GS5+VDS6=VGS5+(VGS6 I1Rb)合理设计I1、(W/L)5和Rb的值，可以得到期望的Vb,minVb=VGS5+VDS6=VGS5+(VGS6 VGS7)实际设计时要留出一定余量，以确保M1、M2能可靠地工作在饱和区西电微电子学院董刚模拟集成电路设计26本讲 电流镜基本电流镜共源共栅电流镜有源电流镜电流镜做负载的差分放大器大信号特性小信号特性共模特性西电微电子学院董刚模拟集成电路设计=27有源电流镜电流镜作为小信号处理电路使用时，称为有源电流镜Av=VoutV in=gm1RL(W/L)3(W/L)2Av=Iout (W/L)2Iin (W/L)1西电微电子学院董刚模拟集成电

15、路设计28有源电流镜做负载的差分放大器重要作用：将差分输入转换成单端输出vout=(vin gm)(rO4 rO2)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计29大信号特性Vout Vin,CM VTH很少在开环下用来放大信号，Vout很难由设计者设定完全对称时：Vin1=Vin 2时，Vout =VF =VDD VGS 3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计30小信号特性差分增益不能用半电路法分析该电路因为P点不能当做交流地从Vin到VX和VY的增益差别很大，VX和VY的摆幅差别很大，使得VX和VY对VP的作用不能互相抵消求差分增益Av？方法一：Av Gm Rout求出等效跨导Gm和输出电阻Rout即

16、得到Av方法二：用戴文宁定理等效输入信号后计算西电微电子学院董刚模拟集成电路设计31方法一Gm的计算求Gm：将输出端接地，计算iout/vin即可在输出端接地情形时，P点可看作交流地id 1 =id 3 =id 4 =g m1,2 vin/2 id 2 =g m1,2 vin/2iout =id 2 id 4 =g m1,2 vin ,Gm =g m1,2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计+32方法一Rout的计算为什么RXY等于2rO1,2?画出小信号等效电路，仔细推导一下即可iX =2v X v X2rO1,2+(1/g m 3)rO 3 ro4当2rO1,2 (1/g m 3)|rO 3

17、时Rout rO 2|rO 4西电微电子学院董刚模拟集成电路设计33方法一差分增益Gm =g m1,2Rout rO 2|rO 4Av gm 1,2(ro2|ro4)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计34方法二戴文宁等效西电微电子学院董刚模拟集成电路设计35方法二戴文宁等效如何求Veq和Req?画出小信号等效电路，仔细推导一下即可veq =g m1,2 rO1,2 vinReq =2rO1,2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计36方法二戴文宁等效veq =g m1,2 rO1,2 vin画出小信号等效电路，推导得：Req =2rO1,2 Av =g m1,2(rO1,2 rO 3,4)西电微电

18、子学院董刚模拟集成电路设计与方法一结果同37小信号特性共模增益定义单端输出的差分放大器的共模增益为：ACM=voutvin,CM由于电路对称，对于任何Vin,CM，均有VF=VX所以，在分析共模增益时可将VF与VX短接西电微电子学院董刚模拟集成电路设计|38小信号特性共模增益带源极负反馈的放大级Av=RD1/gm+RSA CM12 g m 3,412 g m 1,2ro 3,42+R SS=1 g m 1,21+2 g m 1,2 R SS g m 3,4即使电路完全对称，共模信号变化也会引起输出信号变化；高频时RSS减小，更严重影响差分放大器性能西电微电子学院董刚模拟集成电路设计ACM39小

19、信号特性CMRRCMRR=ADMACMADM g m1,2(ro 2|ro 4)1 g m1,21+2 g m1,2 RSS g m 3,4CMRR=gm1,2(ro1,2|ro3,4)gm3,4(1+2gm1,2 RSS)gm1,2=gm 3,4(ro1,2|ro3,4)(1+2gm1,2 RSS)西电微电子学院董刚模拟集成电路设计40小信号特性存在失配时的共模增益M1和和M2因失配导致跨导不一样因失配导致跨导不一样计算思路：由vin,CM求出vP；再计算iD1和iD2；由iD1求出iD4；iD2和iD4之差乘以输出阻抗，即为vout西电微电子学院董刚模拟集成电路设计41总结对电流源的要求可

20、调、精确、稳定基于IREF用电流镜的得到所需电流基本电流镜合理设计尺寸比可获得期望电流沟道长度调制效应引起精度降低Iout=(W/L)2(W/L)1 IREF共源共栅电流镜提高了输出电阻，实现了高精度牺牲了输出电压摆幅西电微电子学院董刚模拟集成电路设计42总结电流镜做负载的差分放大器将差分输入转换为单端输出差分增益共模增益会影响差分放大器性能；高频时、存在失配时更严重ADM =g m1,2(rO1,2 rO 3,4)A CM 1 g m 1,21+2 g m 1,2 R SS g m 3,4西电微电子学院董刚模拟集成电路设计43作业5.3，5.6，5.8应用本章内容西电微电子学院董刚模拟集成电路设计xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！