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[原创] 电流镜失配总结

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发表于 2019-2-27 21:27:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 JohnHilo 于 2019-3-2 13:32 编辑

最开始上传的时候图片和公式没有上传上来,现在应该可以了。以下都是自己做的一些总结,与大家一起分享进步。(也放在知乎上了,这边的图片都是从知乎那边截取下来的,所以有水印)

1. 1:1电流镜
在之前一直对最简单的电流镜的失配存在一些误解,比如下图中最简单的电流镜,输出电流和输入电流失配应该如何改善?之前的理解认为加大电流镜管子尺寸可以提升精度,但其实真正决定失配精度的是MOS管的Length。
Screen Shot 2019-02-27 at 9.05.15 PM.png
Screen Shot 2019-03-02 at 1.28.22 PM.png
在上面的公式中,忽略了失配的二次项。
Screen Shot 2019-02-27 at 9.07.27 PM.png
上一步计算中,同样是忽略了失配的二次项。
先看右边部分,L越大,σW越小。W越大,σL就越小。因此
Screen Shot 2019-03-02 at 1.19.06 PM.png
两者刚好抵消,因此对输出电流的失配没有影响。
然后观察左边部分,这边会有一个前提,即输出电流是不变的。因此可以将上边的公式转化为:
Screen Shot 2019-03-02 at 1.19.21 PM.png
AVth是与MOS管尺寸成反比的。
Screen Shot 2019-03-02 at 1.19.32 PM.png
从上边的公式中可以看出,只有L能改善失配特性,L增加一倍,失配性能能改善一倍。
仿真结果
在cadence上搭建了简单的电流镜电路,用monte-carlo仿真得到输出电流的失配标准差。
Screen Shot 2019-03-02 at 1.19.42 PM.png
从上边的表格中可以看到,增加L可以明显改善失配特性。W的改变只能稍微影响sigma。
2. 1:N电流镜
当电流镜MOS管不相等时,如下图所示:
Screen Shot 2019-03-02 at 1.19.52 PM.png
如下的仿真结果也验证了上面的理论分析:

因此,sigma随着电流增加而变大,但是与输出电流的比例是不变的,均是23.5m。
Sigma / Iout = 23.5m
3. 不同输出电流之间的失配
在实际使用的过程中,我们关注的往往不是一路输出电流和被镜像电流之间的关系,而是不同路输出电流之间的匹配关系。如下图所示:
Screen Shot 2019-03-02 at 1.20.10 PM.png
两路输出的MOS管尺寸比为M:N。
可以认为两路输出均是互相独立的随机事件,而且由之前的章节可以得到I_out1和I_out2的标准差为Mσ和Nσ。
根据概率论的内容,两路输出电流的标准差为:
Screen Shot 2019-03-02 at 1.20.18 PM.png
仿真结果:
Screen Shot 2019-03-02 at 1.20.26 PM.png
M/N从1/1,2/2,3/3的sigma满足公式。
可以看到,M=N=1时,sigma=23.5m。M=N=2时,sigma=1/sqrt(2)*23.5m=16.6m。M=N=3时,sigma=1/sqrt(2)*sqrt(2/3)*23.5=13.56m. 实际仿真结果与理论计算十分符合。
当M=1,N=2时,Iout1/Iout2=0.5。理论计算的sigma=1/sqrt(2)*sqrt(3/2)*23.5/2=10.18m。
当M=1,N=3时,Iout1/Iout2=1/3。理论计算的sigma=1/sqrt(2)*sqrt(4/3)*23.5/3=6.4m。
(这两种情况下,23.5除了实际的电流比例。这是因为23.5m是1:1时的sigma,如果是1/2,那么sigma就会减半。)
最后一种情况是M=2,N=1,此时电流比例为2。理论计算的sigma=1/sqrt(2)*sqrt(3/2)*23.5×2=40.72m。也是和仿真结果十分符合的。
发表于 2019-2-28 11:01:27 | 显示全部楼层
回复 1# JohnHilo


   图和公式都挂了
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发表于 2019-2-28 20:20:35 | 显示全部楼层
看不见图,老哥
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发表于 2019-2-28 23:09:32 | 显示全部楼层
看不见图,
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发表于 2019-3-1 00:22:37 | 显示全部楼层
沒有圖, 這是自己的心得嗎?
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发表于 2019-3-6 16:31:05 | 显示全部楼层
dingyie xian
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 楼主| 发表于 2019-4-2 12:32:25 | 显示全部楼层


   
122013137 发表于 2019-2-28 23:09
看不见图,


应该可以了
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 楼主| 发表于 2019-4-2 12:33:59 | 显示全部楼层


   
chungming 发表于 2019-3-1 00:22
沒有圖, 這是自己的心得嗎?


恩,原创哈
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发表于 2019-4-2 14:37:37 | 显示全部楼层


   
JohnHilo 发表于 2019-4-2 12:33
恩,原创哈


问一下 , LED current sink 常有 1:1000~ ..这类流片会偏差, 就算 L 拉长  也是偏差 ,  如果需做 1:1000 trim 还有其它方式吗?

另个如果 oled driver current sink  , channel  200~400 channel , 不同 channel间 v.s. channel 间 , currentmismatch 是个大问题. 特别是 oled 先天 特性不同 channel不同 , 有些人说 会提不同 channel间, 去做channel Vt compensation去解决 (AMOLED ?) .

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 楼主| 发表于 2019-4-2 21:23:52 | 显示全部楼层


   
andy2000a 发表于 2019-4-2 14:37
问一下 , LED current sink 常有 1:1000~ ..这类流片会偏差, 就算 L 拉长  也是偏差 ,  如果需做 1:1000  ...


这个channel-to-channel 之间的mismatch由L决定,当L尺寸接受不了的时候对每一个channel的Vth进行trim也是一种可行的办法,但会增加测试成本。
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