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[原创] 聊聊电流镜(下)

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发表于 2017-3-10 19:42:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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上期我们聊到了电流镜的常见结构,错过的可以回顾一下。

http://bbs.eetop.cn/thread-623248-1-1.html

接上期,我们都知道,利用图1中级联结构,可以有效地提高其小信号输出阻抗,其输出阻抗增加的倍数约为gm2rds2,约为共栅管M2的本征增益。该本征增益通常会远远大于1。

自偏置下0.jpg

图1

上期中的图(i)的源极退化电流镜结构就是通过源极的串联电阻,提高整体的输出阻抗,但存在着比较明显的缺点,该电阻通常较大,会显著减小输出电压摆幅。

利用某Foundry的90nm工艺节点模型,图2为1.2V标准阈值器件的本征增益和沟道长度的关系。一般来说,栅长越大,其本征增益越高,

自偏置下1.jpg

图2

对于固定W和L,图3中,增大的偏置电流会使器件从弱反到强反型,从而使器件从亚阈值区进入饱和区。其本征增益会稍微减小,如图3所示。

自偏置下2.jpg

图3

器件的阈值和栅长密切相关,表现为反向短沟道效应(Reverse short-channel effect)。图4是低阈值、标准阈值和高阈值1.2V器件的阈值变化情况。随着栅长的减小,阈值都有不同程度的增加。这也是先进工艺中,电源电压在下降,但模拟电路中选择的器件栅长并不能按比例shrink缩小的原因。

自偏置下3.jpg

图4

图5列出了Self Cascode CM的实现思路及方式。这里提出了几种可能,其中方案1)利用同一类型器件不同L去实现,也是Ichiro专利提到的思路。其中方案2)也是目前文献中提到的性能较好实现方式。方案3)是我想到的利用部分工艺提供的不同阈值的器件组合来实现。

自偏置下4.jpg

图5

下边具体分析下,上述3种实现方案。

1)Ichiro在其专利中提到的方法,其解释是利用M2的沟道比M1的沟道
,从而M2管阈值小于M1管,利用阈值差,使M1工作在临界饱和,从而得到较大的输出阻抗。

注:在这一点上我保留意见,因为先进工艺中往往表现出RSCE使得短沟道具有较大的阈值。


这里对比了同样面积条件下单管和拆分的管子的I-V特性。测试环境如图6所示后续也会用到这个测试电路作为对比。这里选择了W=0.3u,总的栅长L=1.5u,镜像500nA的电流。实际应用中根据需要,选择合适的尺寸。


自偏置下5.jpg

图6

图7是方案1)中,I-V特性的对比,其中黑色为单管M0b的漏极电流;红色、黄色和绿色为不同尺寸拆分情况下M2b的漏极电流。

红色情况下输出阻抗提升比较明显,这也是最简单的一种self cascode结构,通过拆分,能够提高输出阻抗。注意,这种情况下,M1管沟道较短,其阈值较M2管大很多。当总的栅长较大时,情况会稍有不同,阈值差别不大,需要用方案2)来实现。

自偏置下6.jpg

图7

2)这也是一种常见的实现方式,M1管和M2管尺寸相同,M2管个数是M1的整数倍m。

同样利用图6的测试环境,这次M0、M1和M2的W/L=0.3/1.5u,改变M2和M1的个数比。得到如图8所示的I-V特性。


自偏置下7.jpg

图8

    虽然对比有些不公平,毕竟面积大很多,但可以看到这种方式还是能够大幅度的提高其输出阻抗,并表现出了较小的饱和电压从而增大了输出摆幅。其中M1工作在线性区或临界饱和,M2一般会工作在亚阈值区。


自偏置下8.jpg

图9

图9是一种版图实现方式,这里M2和M1的比例为3:1。

3)方案3)的实现方式,适用于提供的多种阈值的逻辑器件(90nm以下)的工艺。从图4看到,hvt器件阈值会比rvt多出几十毫伏电压。利用阈值差,可以促使M1管工作在临界饱和区,从而得到较大的输出阻抗。


自偏置下9.jpg

图10

总结图5中的方案的优缺点如下图表所示。实际应用中需要根据情况选择。多实践,多总结。

自偏置下10.jpg

图11

好了,这期的内容的就到这里了,下次再见。

也请关注俺的微信公众号,能第一时间看到我的学习分享内容哟~

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发表于 2017-3-10 20:20:50 | 显示全部楼层
不错,kankan
发表于 2017-3-12 12:35:57 | 显示全部楼层
thanks for sharing
发表于 2017-3-12 20:34:55 | 显示全部楼层
楼主有心了,请问这个是你转载的还是你自己编辑的?公众号是你自己在运营么?
 楼主| 发表于 2017-3-13 08:57:47 | 显示全部楼层
回复 4# hszgl

自己写的东西,也算是把学习的东西总结一下吧
发表于 2017-3-13 18:58:19 | 显示全部楼层
回复 5# 131v1vv


    很不错,可以加个精,我在本版没有权限,我帮你问问其他版主
发表于 2017-3-13 21:31:45 | 显示全部楼层
学习下,自己写的
发表于 2017-3-13 23:08:43 | 显示全部楼层
想问下方案2两个馆子的VTH没差是吧,只是变大m来减小vdsat是吗
 楼主| 发表于 2017-3-14 07:22:41 | 显示全部楼层
回复 5# 131v1vv

谢谢版主。
 楼主| 发表于 2017-3-14 07:24:15 | 显示全部楼层
回复 8# hzx85337856

阈值会有不同,毕竟一般情况下,M2会有体效应的存在,阈值稍大一些
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