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  • 常見(jiàn)的共源共柵電流鏡電路介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-10-19 21:01:31
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    常見(jiàn)的共源共柵電流鏡電路介紹
    電流鏡是模擬集成電路設(shè)計(jì)中基本的電路單元之一,在電流拷貝,運(yùn)放偏置等電路中極為常見(jiàn),其決定著電流拷貝的精準(zhǔn)性以及運(yùn)放的增益,匹配等特性。共源共柵電流鏡得益于其優(yōu)越的輸出阻抗,在高精度的模擬電路中被廣泛使用。
    簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡
    共源共柵電流鏡
    圖1 簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡
    上圖所示為簡(jiǎn)單的共源共柵電流鏡,對(duì)該電路而言,只需要保證M1和M3,M2和M4這兩對(duì)MOS管成比例的設(shè)計(jì),同時(shí)輸出電壓大于Vgs1+Vdsat2的要求,即可使所有的MOS管都工作在飽和區(qū),以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電流拷貝和較大的輸出阻抗。
    在設(shè)計(jì)時(shí),我們常常將M1和M3設(shè)計(jì)得具有較大的溝長(zhǎng)L和較大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓,這是因?yàn)殡娏骺截愔饕蒑1和M3決定,因此較大的溝長(zhǎng)L可以保證M1和M3輸出阻抗更大,因而更少地受到漏端電壓的影響,電流拷貝更為精準(zhǔn)。
    而較大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可以保證他們受失配的影響更小。而作為減弱輸出電壓影響功能的M2和M4,出于面積和輸出電壓裕度的考慮,要求變得寬松了很多,事實(shí)上M2和M4在設(shè)計(jì)時(shí)甚至可以采用工藝允許的最小溝長(zhǎng)。這一點(diǎn)在所有的共源共柵中都是適用的。
    該電路的最大缺點(diǎn)即為其“吃掉”了很大的輸出電壓裕度,相比低壓共源共柵電流鏡,它需要的輸出電壓“高”一個(gè)Vth,對(duì)于在意輸出電壓范圍的應(yīng)用,如供電電壓很低,或?yàn)樽鳛楣苍垂矕胚\(yùn)放的輸出級(jí)等,該電路顯得“浪費(fèi)”,因此不那么適用。
    而對(duì)一個(gè)不在意輸出電壓范圍的電路,比如芯片中各種電流的簡(jiǎn)單拷貝,其電路簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)方便,需要考慮的因素沒(méi)有低壓共源共柵電流鏡多,因此更為適用。
    低壓共源共柵電流鏡
    共源共柵電流鏡
    圖2 低壓共源共柵電流鏡1
    共源共柵電流鏡
    圖3 低壓共源共柵電流鏡2
    為了解決簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡輸出電壓范圍大的問(wèn)題,低壓共源共柵電流鏡應(yīng)運(yùn)而生。圖2和圖3給出了日常設(shè)計(jì)中兩種常用的低壓共源共柵電流鏡電路,兩者區(qū)別為產(chǎn)生M2(M4)的柵極偏置電壓電路的不同。
    相同的是,為了使所有晶體管工作在飽和區(qū),電路需要滿足式(1):
    共源共柵電流鏡
    在圖2中,Vg2即為M5的柵源電壓Vgs5,通過(guò)另外一路電流加上合理選擇M5的尺寸,以使得Vg2滿足上式的要求。而在圖3中,Vg2為Vgs1+IinR,通過(guò)選擇R的值即可確定Vg2。
    根據(jù)式(1)可知,Vg2被限定在一個(gè)范圍內(nèi),因此相比簡(jiǎn)單的共源共柵電流鏡,低壓共源共柵電流鏡受到了額外的約束,在這種約束下,會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況:
    情況1:Vg2如果設(shè)置過(guò)低,則容易使得M1進(jìn)入線性區(qū),因?yàn)樵陔娏麋R中,M1和M3決定電流拷貝,因此工作在線性區(qū)會(huì)使得該電流鏡直接不正常工作;
    情況2:如果Vg2設(shè)置過(guò)高,則M2進(jìn)入線性區(qū),此時(shí)M4是否進(jìn)入線性區(qū)取決于M4的漏端電壓。但此時(shí),M1和M3仍然工作在飽和區(qū),電流拷貝仍然正常。
    如果M4的漏端電壓足夠到M4工作在飽和區(qū),那么M4仍然可以起到減弱輸出電壓對(duì)M3漏端電壓影響的作用,但是因?yàn)镸1+M2與M3+M4不是完全鏡像,因此電流拷貝的精準(zhǔn)性不如完全正常工作的電流鏡。
    這種情況,如果不要求電流拷貝準(zhǔn)確,只單純想要高輸出阻抗,比如作為運(yùn)放輸出級(jí),那么該目標(biāo)仍然可以實(shí)現(xiàn)。因此,如果在設(shè)計(jì)運(yùn)放偏置時(shí),由于電路的限制,必須選擇Vg2在整個(gè)溫度,工藝角范圍內(nèi)高一些或是低一些,高一些這個(gè)選擇可能影響會(huì)更小。
    這也是筆者在電路設(shè)計(jì)時(shí)常常遇到的問(wèn)題,該問(wèn)題尤其在Vgs1較低時(shí)更容易出現(xiàn),因?yàn)樵撉闆r會(huì)使得留給Vg2的可選范圍很小,尤其加上溫度和工藝角的考慮。
    圖2和圖3相比,圖2電流需要多一路電流進(jìn)行偏置,而圖3電路需要多使用一個(gè)電阻,前者帶來(lái)額外的功耗和電路復(fù)雜度,后者帶來(lái)更大的面積(尤其在低功耗電路中),設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。
    相比簡(jiǎn)單共源共柵電流鏡,低壓共源共柵電流鏡多了一個(gè)閾值電壓的輸出電壓裕度,因此更適用于低供電電壓,運(yùn)放輸出級(jí)等場(chǎng)景。
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