恒流源电路知识讲义
r o r d3s r d3s g m g 1 g m 2 m 3 r d 1 1 /s r dg 2 s m 3 g m 2 1 1 /rd2 s
进一步可推导出: rog1 m 2rd3s[1g gm m 2 3(1gm 1rd1s)] 假定gm1=gm2=gm3,且gm1rds1>>1,则上式 可简化为:
低压共源共栅结构—常数Vb的偏置
主要结构是一个输出与输入短路的共源共栅结构。
由图可以看出,三极管M3处于饱和区的条件为:
VDD
V b V t3 hV X(V G1)S
IR
而三极管M1饱和的条件为:
X
Io
V G 1 S V t1 h V b V G 3 ( S V A )
Vb
M3
M4
即:
宽长比相关,从而得到具有很好的恒流特性的电流 源。
基本电流镜结构
因为沟道调制效应在小特征尺寸的CMOS 工艺中是不能消除的,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 计出了多种恒流源电路结构。
另外,有时还由于存在不同的体效应,使各 自的阈值电压Vth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 消除它对电流镜的影响。
该结构的输出阻抗为: r o r d 2 s r d 4 s r d 2 r d s 4 ( 1 s 4 ) g m 4
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gm4rds4倍。
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
共源共栅结构的主要缺点是损失了电压余度 。一般可
采用(W/L)3>(W/L)1,(W/L)4>(W/L)2进行补
Io((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2S S ))IR
从上式可以看出:假如已有IR,只要改变 M1与M2的宽长比,就可设计出Io,它即可 以与IR相等,也可与IR成一比例关系,所以 也称为比例电流镜,这种技术在模拟集成电 路中有着广泛的应用,比如作为放大器的负 载。
但是由于存在沟道调制效应,且VDS2是一 变量,因此Io实际上不是一个恒流源。
IR
Vb
M3
IR
D
M4
+
IRELeabharlann IoM4D
M3
A
B
A
VGS4+VA
A
B
-
M1
M2
M1
M1
M2
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
适当选择M3与M4的尺寸,就可实现VGS3=VGS4,
且有:VGS4+VA=VGS3+VB,因此,若 (W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1,且 VGS3=VGS4时可得到VA=VB,即使M4与M3存在 衬偏效应这个结果也成立。
rord3sgm 1rd1s
威尔逊电流源
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
大的提高,且只采用了三个MOS管,结构
简单,并可应用在亚阈值区。 VDD
但是图4中M3与M2的漏源
IR
Io
电压仍不相同,因此提出 M4
M3
了一种改进型的威尔逊电
流源,如图所示。
M1
基本电流镜结构
如何改善Io的恒流特性以实现真正意义上的电流源, 可以看到原则上有两种方法:
1、减小以至消除M2的沟道调制效应(因为VDS1=
VGS1为定值,故M1不影响Io的恒流特性),即通 过增大M2的沟道长度,以减小λ,增大输出阻抗, 从而改善恒流特性。
2、设定VDS2=VDS1,则可知Io与IR只与M1、M2的
A
B
V G 3 ( S V G 1 V S t1 h ) V b V G 1 V S t3 h
该式成立的条件是:
M1
M2
V G 3 ( S V G 1 V S t1 ) h V G 1 V S t3 h
偿。
为了保证VDS2=VDS1=VGS1成立,根据萨氏方程,可
得到M1、M2、M3、M4的几何尺寸必须满足: (W/L)3/(W/L)4=(W/L)2/(W/L)1,一般取L1
=L2=L3=L4,则VGS3=VGS4,VGS2=VGS1。
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(M1与M2)。
Io IR
((W WL L))1 2((1 1 V VD D1 2S S))
由于VDS2=VGS2,VDS1=VGS2+VGS3,即
VDS1≠VDS2,所以在这种电流源中,Io/IR的值不
仅与M1、M2的几何尺寸相关,还取决于VGS2与
VGS3的值。
威尔逊电流源
根据交流小信号等效电路,可求出电路的输出阻抗。 忽略M3的衬偏效应,则有:
恒流源电路
基本电流镜结构
电流复制的基本原理
相同的工艺参数制作的两个
IR
Io
相同的MOS器件具有相同
的栅源电压,并且都工作在 M1
M2
饱和区则其漏极电流完全相
等,即实现了所谓的电流复制 。
但由于存在沟道调制效应时,其漏源电压
VDS若不相等,则其电流也不会相同。
基本电流镜结构
在考虑沟道调制效应时有:
M2
威尔逊电流源
上图中引入了二极管连接的MOS管M4。 根据饱和萨氏方程,Io/IR的表达式与上式相同,且有:VDS1
=VGS2+VGS3-VGS4。设定VGS3=VGS4,则有VDS1=
VGS2= VDS2,则有: Io (W L)2 IR (W L)1
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。而且只需四个MOS管就可实现,因此有较广泛的应 用。这种结构也可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。
而要达到VGS4=VGS3,根据饱和萨氏方程可以得到其条件为:
(W/L)3 (W/L)2 (W/L)4 (W/L)1
共源共栅电流源―高输出阻抗恒流源
共源共栅电流源是采用共源共栅结构来促使
VDS2=VDS1,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。
VDD
VDD
E VDD
Io
威尔逊电流源
该电流源的基本原理是利用负反馈来提高电 流源的输出阻抗以使电流源具有良好的恒流 特性。
VDD
IR
Io
+ IV
-
M3
gm3Vgs3
rds3
Vgs3 -
M1
M2
g m1Vgs1
rds1 Vgs2 Vgs1
gm2Vgs2
rds2
-
威尔逊电流源
上图中,由于VDS1=VGS3+VGS2,而VGS1=VGS2, 所以:VDS1>VGS1,因此M1一定工作在饱和区, 所以根据饱和萨氏方程可得: