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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。
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,
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。
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。
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。
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的沟道短
,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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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