聊聊电流镜(上)

131v1vv

这期来点轻松的，聊一聊你知道的和不知道的电流镜。

电流源可算是模拟集成电路中最基础的内容，也是有很多花样的基本单元。电流源是笼统的叫法，具体会根据电流的流向，分别叫做电流源（Current Source）和电流沉（Current Sink），如图1所示。

图1

电流源通常都是以电流镜（Current Mirror）的形式实现，可以看做是双端口电流放大器。关注的指标为输入侧的最小输入电压和输入阻抗，输出侧的输出摆幅和输出阻抗，同时还有电流增益，如图2所示。

图2

简单的NMOSFET的I-V特性如图3所示。在线性区是向下开口的抛物线，在饱和区会有所区别。理想情况下，电流不随Vds的变化而变化，实际情况会表现出有限甚至很小的输出阻抗。

图3

随着先进工艺向低压低功耗的方向演进，MOS的非理想因素越来越多，如图4所示，这也对最简单的电流镜的设计提出了挑战。

图4

电流镜改进设计中，有许多很好的结构。我们把常见的都列出来，如图5~图8所示。图5(a)是最基本的电流镜结构，图5(b)是加入了负反馈的威尔逊电流镜。

图5

图6中为Cascode结构的电流镜及其改进形式。其中的(e)算是用的比较多的，性能比较好的一种结构，其缺点就是需要额外的一路偏置电流。

图6

图7(f)是贝尔实验室的Sooch于1985年，申请的专利号为4550284的美国专利提到的结构，当然图7(f)中Q3a工作临界饱和状态，其简单的等效原理可以表示为图7(g)，电阻32实现自偏置的功能。

图7

图8(h)是Aashi公司的Ichiro于1999年，申请的美国专利中提到的结构，专利号为5966005，有兴趣的可以查阅看一下。在原始的专利中，Ichiro提到利用短沟道效应，通过使用不同的沟道长度，配合不同的阈值电压。实现Q2工作在饱和区，从而实现较高的输出阻抗（反向短沟道效应，会使阈值随沟道长度减小而增大，貌似这样该结构就无法保证Q2工作在饱和区。）。图8(i)为带源极电阻负反馈的电流镜，可以作为(h)的等效电路。

图8

上述几种结构的几个关键指标统计如图9中表格所示。

图9

好了，这期的内容就先聊到这里，下期我们重点学习图8(h)的self cascode CM结构，回头见~

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hzx85337856

沙发啊！！！问个问题哈，那个图e的是不是对于track temperature呢？

fightshan

只用过图e  f和g看起来很厉害啊

tottistone9

写的好！

zyp96

这个要顶一下，手机上也可以学习了，不错！

liushaohua116

顶~~~

131v1vv

回复 2# hzx85337856

track temperature？没太明白你的意思哟

131v1vv

只用过图e  f和g看起来很厉害啊
fightshan 发表于 2017-3-3 08:52

                               
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   下期会重点分析下图h中的结构

fightshan

下期会重点分析下图h中的结构
131v1vv 发表于 2017-3-3 19:27

                               
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   e的结构还有一种改进型，最左侧产生Vb偏置电压的这样一个管子Q3它的vth和Q5有差别，会导致镜像不准，可以在Q3下面再叠加一个工作在线性区的管子，镜像会更准确。
除了分析h的结构，建议大神能在深亚微米工艺下给出仿真示例······

131v1vv

e的结构还有一种改进型，最左侧产生Vb偏置电压的这样一个管子Q3它的vth和Q5有差别，会导致镜像不准 ...
fightshan 发表于 2017-3-4 14:00

                               
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   我是这样理解的，Q3是用来给共栅管Q4(Q5)提供栅级偏置电压的，目的是为了是起镜像作用的Q1(Q2)的Vds电压一致，同时工作在饱和区的临界点，从而保证Q1既有一致的工作条件，同时消耗较少的电压裕度。   我觉得Q3和Q4的阈值Vth的差别倒还好，其主要差别应该说是Vgs的差别更准确，毕竟其管子尺寸会不一样的。