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  • 电流镜
    2022-03-22 20:00:18

    前面我们已经了解了差动放大电路,现在我们在差动放大的基础上加一个电流镜,电路如下图所示,可以看出我们就是在差动输入的上面又加了Q4,Q5构成了电流镜,原理和差动放大下面的Q3构成的恒流源是类似的,由于Q4,Q5的基极连在了一起,三极管的管压降近似是一样的,那么由于R1和R2的电阻是一样的,那么在R1和R2上的电流也是一样的,所以叫做电流镜。

     电流镜在R1和R2上面的电流的和是下面恒流源的电流。

    什么要加电流镜:

    因为电流镜作为恒流路,理论上阻抗是无限大的,这个无限大的阻抗加在共射放大电路的集电极上面,那么共射放大电路的放大倍数应该是巨大的,能达到晶体管的最大增益。

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  • 电流镜

    万次阅读 多人点赞 2018-05-08 16:43:33
    电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件,它也出现在一些数字电路中。在传统的电压模式运算放大器设计中,电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。在新型电流模式模拟集成电路设计中,电流镜除了用来产生偏置...

    电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件,它也出现在一些数字电路中。在传统的电压模式运算放大器设计中,电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载在新型电流模式模拟集成电路设计中,电流镜除了用来产生偏置电流外,还被广泛用来实现电流信号的复制或倍乘,极性互补的电流镜还可以实现差动一单端电流信号的变换。电流镜不仅是设计集成电路的基本单元电路,而且它本身就是一种典型的电流模式电路,在一些电流模式系统(例如高频连续时间滤波器、人工神经网络)中得到直接应用。

    电流镜是电流控制电流源,下图是其示意图。其中IR是由外部给定的基准电流,而Io是它的镜输出电流,n可以大于1、小于1或等于1。电流镜可以有多路输出电流。人们对电流镜所关心的问题是其输出电阻、Io对IR的跟随精度以及它对电源电压和温度的灵敏性等。

    电流镜是电流控制电流源,下图是其示意图。其中IR是由外部给定的基准电流,而Io是它的镜输出电流,n可以大于1、小于1或等于1。电流镜可以有多路输出电流。人们对电流镜所关心的问题是其输出电阻、Io对IR的跟随精度以及它对电源电压和温度的灵敏性等

    静态电流镜

    简单电流镜是一种三端器件,下图所示是它的示意图。图中的N1是输入节点,它是能接受一种极性电流I1的输入端;N2是输出节点,它是能提供输出电流I2的输出端,I2是I1的复制(拷贝),即I2与I1流向相同,数值相等,也可以说I2跟随I1;N0是公共节点,这个节点中的电流是I1与I2之和。

    实用电流镜应该具有下列三点基本性能。
    ①输出支路的电流I 2应基本与节点N 2的电压V 2无关,V 2允许被偏置到与公共节点N 0相差几百毫伏到几伏的任何电位,即N 2节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻r 0(更通用应为交流输出阻抗Z o)应该很高,理想时为无穷大。
    ②输入节点N 1的直流电压V 1应当很小,通常比公共节点N 0相差几百毫伏,而且电压V 1基本上与输入电流I 1的增量变化无关,即小信号交流输人电阻r i(更通用为交流输人阻抗Z i)应相当低,理想时为零。
    ③电流传输比M=I 2/I 1应该尽可能接近于1,而且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关,即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的应用中,理想电流镜电流传输比M的幅频响应和相频响应应该与信号的频率无关。
    MOS管基本电流镜

    由两个N沟增强型MOS管组成的基本电流镜如下图所示。M1与M2两管的衬底与源短接,所以不存在体效应(对于NMOS器件,当其源端电位高于NMOS管的体(P衬底或地)电位时,阈值电压会增加。这一变化称为体效应。)。M1作输入管,其栅、漏极短接,VDS1=VGS1>VGSt-VT1,所以T1总是工作在饱和区,而且由于栅、漏短接,其交流输人电阻也较低。T2作输出管,只要VDS2>VDS1-VT2,T2也工作在饱和区,漏极的交流输出电阻很高,这是下图所示电路作为电流镜的必要条件。

    工作在饱和区的mos器件可以当作一个电流源。电流源的输出电阻、电容、以及电压余度与输出电流的大小之间存在折衷互易关系。此外,电流源的其他几个方面也很重要:电源、工艺、温度依赖性,输出噪声电流以及其他电流源的匹配。如何给一个mosfet加偏置才能使其作为一个稳定的电流源工作呢?

    在模拟电路中,电流源的设计是基于对基准电流的复制,其前提是已经存在一个精确的电流源可供利用。详情见,模拟CMOS集成电路设计第115页,电流镜的结构和输出电流的公式及其与基准电流的关系。
    cascode电流镜,共源共栅电流镜,就是级联三极管cascade triodes的缩写,其实就是一个mos管工作在共源(M1),一个mos管工作在共栅(M2)。

    那么何为共源共栅呢?共源共栅电流镜可以抑制沟道长度调制的影响又说明什么呢?对于该结构图要了然于心。而mosfet的特性在此如何体现?

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  • CMOS模拟集成电路设计ch电流镜实用PPT课件.pptx
  • 通过仿真分析和现代版图设计方法的利用,对不同的电流镜拓扑进行了优化。 所研究的低压、短通道电路在 1.5 V 的电源电压下工作。电流镜在 Virtuoso Cadence CAD 工具中使用 0.11 μm 技术进行仿真和设计。 这项调查...

    摘要

    通过仿真分析和现代版图设计方法的利用,对不同的电流镜拓扑进行了优化。 所研究的低压、短通道电路在 1.5 V 的电源电压下工作。电流镜在 Virtuoso Cadence CAD 工具中使用 0.11 μm 技术进行仿真和设计。 这项调查表明,可以通过使用级联技术和其他设计解决方案来获得高性能电路,这些解决方案可以减少由于非理想效应引起的比率误差。

    背景

    在过去的几十年里,微电子已经成为信息技术、工业电子、医疗电子和汽车工业等许多领域进步的动力。 这些成就在微电子技术的发展以及集成电路设计中使用的新设计电路解决方案方面发挥了重要作用。

    电流镜 (CM) 是集成电路 (IC) 设计中的基本构建块。 它们用作电流源或有源放大器负载 (Shtereva K., 2016, Kaur, J., 2017)。 电流镜偏置是在模拟和数字电路设计中使用的一项重要技术。

    目前,研究工作主要集中在标准CMOS工艺低压集成电路设计技术的开发上。 在 (Rakus, M., 2018) 中,研究了涉及体驱动 (BD) MOS 晶体管和动态阈值 (DT) MOS 晶体管的设计方法。 分析了三种不同的 CM 拓扑。 作者发现,与传统的栅极驱动拓扑相比,这两种技术都可以将改进的 Wilson 和级联 CM 的最小输出电压降低 30%。 另一个小组 (Zohoori, S., 2018) 提出了一种基于电流镜的 90 nm CMOS 中的低电压 (1 V)、低功率 (1.4 mW) 跨阻放大器,用于 10 GBps 光通信。

    本文介绍了五种不同的电流镜拓扑及其布局设计,采用 0.11 μm CMOS 技术,使用 Virtuoso Cadence 计算机附加设计 (CAD) 工具。 比较了负载电流对电源电压的依赖性的仿真结果。

    结论

    基础电流镜

    最简单的电流镜类型由两个匹配的 n 沟道 MOS 晶体管组成。 图 1(a) 显示了示意图,图 1(b) 显示了基本电流镜的布局。

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    输入电流 I1 由电流源定义。 输出电流 I2,“复制”或“镜像”I1。 NM1 是一个二极管连接的 MOS 晶体管,因为 VDS1 = VGS1,所以工作在饱和状态。 一般而言,I2/I1 的比率由以下等式给出(Allen, Ph. E., & Holberg, D. R., 2002):
    在这里插入图片描述
    L1, L2 – NM1 和 NM0 的通道长度, W1, W2 – NM1 和 NM0 的通道宽度, VT1, VT2 z NM1 和 NM0 的阈值电压, k1, k2 – NM1 和 NM0 的跨导参数, λ – 通道长度调制。
    因此,两个MOS晶体管都在同一个集成电路VT1=VT2,k1=k2上进行处理。 如果 VDS1 = VDS2,则等式 (1) 可以改写为:

    在这里插入图片描述
    等式 (2) 给出了负载和参考电流之间的理想比率 I2/I1。 该比率与作为设计参数的宽长比或纵横比成比例。 两个晶体管必须相同才能获得 1:1 的电流比。 基本电流镜中电流的不准确复制是由于非理想效应造成的,例如:通道长度调制; 阈值电压偏移,并且两个晶体管之间不完美匹配。
    基本电流镜的输出电阻由下式给出:
    在这里插入图片描述
    输出电阻是衡量电路完善程度的重要指标。 基础的CM相对较低。
    简单和小芯片面积是这种电流镜的主要优点。 建议的布局(图1(b))的设计是为了最小化面积。

    共源共栅电流镜 Cascode CM

    级联技术的使用减少了由于以下原因导致的比率误差: (i) 输入和输出电压的差异; (ii) 忽略通道长度调制; (iii) 并增加输出电阻。 随后,复制电流中的错误减少了。在图 2 中显示了:(a) 示意图,和 (b) 级联电流镜的布局。
    在这里插入图片描述

    级联可以由 3、4、5 或 6 个晶体管组成,具体取决于当前复制所需的精度。 许多连接晶体管的问题是电源电压水平的提高,这与当前需要降低电源电压和芯片尺寸的微电子趋势相矛盾。 级联电流镜的输出电阻为 (Razavi, B. (2001):
    在这里插入图片描述
    级联电流镜的输出电阻远高于基本电流镜的输出电阻,因此,负载电流对输出电压的变化非常稳定(Reshma,P.G.,2017)。 布局设计(图 2(b))确保减少寄生元件和对镜子比率的失配影响。 为了减少复制电流的误差,四个晶体管必须处于饱和模式。 连接的二极管 NM1 和 NM3 处于饱和状态。 如果 NM2 漏极的输出电压至少为 Vdsat 的两倍(Vdsat0 和 Vdsat2),则晶体管 NM0 和 NM2 将处于饱和状态。 因此,所需的最低电源电压约为 1 V。

    修改威尔逊共源共栅电流镜

    修改威尔逊共源共栅电流镜这个示意图(图3(一个)是一个改进版本的基本威尔逊电流镜。(斯宾塞,r . 2001)。由于插入的NM3晶体管,NM1 gate-source电压和NM0是相等的。负面反馈的使用提高了输出电阻,这意味着当前复制打赌。电路的系统误差可以忽略不计。图3所示的物理设计(b)。相似的标准共源共栅厘米。唯一的区别是,NM1和NM0晶体管有不同的连接,这样,二极管连接NM0晶体管在右分支。
    在这里插入图片描述
    获得的电流特性(图 6)表明,如果所有四个晶体管都在饱和状态下工作,则比率误差可以减小。 在这种情况下,电流复制与标准级联电路一样好。 正因为如此,如今,这种架构很少用于 CMOS 技术。

    宽摆幅级联电流镜

    (图 4 (a))中所示的宽摆幅级联电流镜是用于较低偏置电压的各种标准级联电流镜 (Arif, M., 2012)。 这种宽摆幅级联共源共栅架构需要额外的电流镜支路以保持 NM2 处于饱和状态,从而使 Vdsat2 远低于普通级联电流镜。 通过这种改进,输出电压摆幅高于通常的级联电流镜。
    在这里插入图片描述
    当然,这种方案改善了输出摆幅,但也带来了与消耗相关的缺点以及需要第二个稳定电流。 电路的基本功能如下,除NM3外的晶体管均相同。 这个单个晶体管的沟道比另一个 L 大约大 4 倍,以增加 NM2 饱和所需的压降。 另一种选择是分支一的电流大4倍,这对电流镜的消耗不利。 由于级联从另一个参考电流偏置,因此选择级联的工作点以使 Vdsat 处于最小值,从而允许更高的输出摆幅和更低的电源。

    布局(图 4(b))占用了更多空间,并且晶体管指匹配不是很好,因为晶体管 NM3。 可以通过应用旨在改善单个晶体管不匹配的虚拟或备用晶体管来改进这些调整。

    自偏置级联电流镜

    这种架构的优势(图 5 (a))是它不需要像其他架构那样的参考输入电流(Guha, K., 2017)。 参考电流由电阻器 R1 产生。 为了获得正确的 VGS1 电压以使所有四个晶体管达到饱和,需要该电阻器。 选择电阻器的值是为了提供驱动电流镜进入饱和状态的压降。
    在这里插入图片描述
    电阻值约为50 kΩ,需要较大的芯片面积。 另一个问题是实现具有低容差的高电阻率电阻器。 电阻器尺寸可能比电流镜大 10 倍以上。 当然,在大型方案中,这些电阻器可以布置成块尽可能紧凑和紧凑,但这并不排除可用的大空间。 图 5(b)显示了自偏置级联电流镜的布局。 图 6 显示了电流镜不同拓扑结构的对比图。 红色是恒流 I1 = 10μA。 仿真结果(图6)表明,电流复制对于自偏共源共栅电流镜是最好的,不需要参考电流。 当然,与温度相关的高容差电阻器会稍微降低电流。 该方案是工业中最常用的方案之一,在许多复杂设计中发挥着重要作用。 电流镜的其他重要参数,例如电压摆幅、功耗、电源电压和布局尺寸,也取决于电流镜拓扑。 级联晶体管数量的增加提高了电源,降低了电压摆幅,芯片面积增加。 当需要高电压摆幅时,应使用基本电流镜或宽摆幅电流镜。 因此,拓扑的选择取决于系统或产品的要求,以便在参数和芯片面积之间取得平衡。

    结论

    本文比较了五种电流镜架构。 使用 Virtuoso Cadence 以 0.11 μm CMOS 技术进行模拟和布局设计。 仿真结果表明,输出电阻的增加导致电流复制的改善,在多种变化下变得更加稳定。 电流镜的另一个重要参数是输出电压摆幅。 在选择“最佳”拓扑时,应在精度、功耗和输出电压摆幅之间进行权衡。

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  • 在本文中,我们基于 Lan 等人 [1999] 提出的简单电流镜提出了一种新的级联电流镜布局技术。 Cascode电流镜的新布局在参数梯度存在的情况下改善了匹配特性。 讨论了跨晶体管有源区域的阈值梯度对电流镜匹配特性的...

    摘要

    模拟金属氧化物半导体 (MOS) 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。 电流镜的匹配精度在模拟 IC 性能中尤为重要。 布局技术和器件尺寸被认为是可以在很大程度上改善匹配行为的主要因素。 尽管这些信息很重要,但对这两个因素的研究或研究有限。 在本文中,我们基于 Lan 等人 [1999] 提出的简单电流镜提出了一种新的级联电流镜布局技术。 Cascode电流镜的新布局在参数梯度存在的情况下改善了匹配特性。 讨论了跨晶体管有源区域的阈值梯度对电流镜匹配特性的影响。 使用 SPICE 仿真比较了新的和现有的共源共栅电流镜布局,以针对有源区域上所有角度的阈值电压梯度进行比较。 结果表明,与现有布局技术可实现的结构相比,所提出的级联电流镜结构的匹配特性有了显着改善。

    背景

    随着VLSI(超大规模集成电路)设计领域的进步,对更高精度模拟电路设计的需求也不可避免地增长。 任何精密模拟电路设计的实现都必须从彻底了解器件的匹配行为开始,因为模拟电路的性能在很大程度上取决于器件的匹配。
    目前,实现微电路最流行的技术是使用金属氧化物半导体场效应 (MOSFET) 晶体管,预计在可预见的未来仍将是主导 IC 技术。 因此,研究 MOS 晶体管的匹配行为仍然很重要,因为模拟 MOS 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。 参考 Lakshmikumar 等人 (1986)。 器件布局技术和器件尺寸是影响任何 MOS 模拟电路设计的匹配行为的两个重要因素。 集成电路的布局是高密度芯片设计的核心问题。 MOS器件中存在一种双极晶体管中不存在的失配成分,那就是阈值电压的失配。 阈值电压失配是工艺清洁度和均匀性的重要函数,并且可以通过使用 Lan 等人 [1999] 提出的交叉指型、公共质心和鳍型几何结构来显着改善。 集成电路设计工程师很少能控制制造过程,而补偿工艺变化影响的唯一方法是使用巧妙的布局技术。

    不匹配的来源

    阈值电压的失配

    在哪里 ? MS 是栅极-半导体功函数差, ? B 是体中的费米电位,QB 是耗尽电荷密度,Qf 是固定氧化物电荷密度,q 是电子电荷,DI 是阈值调整注入剂量,C 是每单位面积的栅极氧化物电容。 在上述等式中,最后一项说明了为将 VT0 调整到所需值而提供的离子注入步骤,称为阈值调整注入。 如 Sze (1981) 中所讨论的,假定注入的离子在硅-二氧化硅界面处具有 delta 函数分布。 如果能在上式右边找到各项的标准差,就可以确定 VT 的标准差。 费米势? B 对衬底掺杂具有对数依赖性,并且 ? MS 对衬底和多晶硅栅极中的掺杂具有类似的依赖性。 因此,这些项可被视为不会导致任何不匹配的常数,参见 Lakshmikumar 等人 (1986)。 阈值电压失配行为的主要贡献者是体区域中掺杂剂原子的不均匀分布。 然而,在控制良好的过程中,固定氧化物电荷的非均匀分布对阈值电压失配的影响可以忽略不计。

    电导常数失配

    MOS晶体管中存在的第二种常见失配类型是电导常数失配。 电导常数由下式给出

    在哪里, ? 是沟道迁移率,C是氧化物电容,W是沟道宽度,L是沟道长度。 由于边缘变化导致的电导失配 (K) 与 [1/ (L)2 + 1/ (W)2]1/2 成比例。 发现栅极氧化层电容的变化是导致 VT 和 K 失配的共同因素。由此得出的结论是 VT 和 K 的失配之间存在相关性。漏极电流的失配表明阈值电压的失配和 电导常数。 一般来说,MOS晶体管会在模拟电路的饱和区工作。 因此,有趣的是查看漏极电流方程,如下文以饱和区中的 VT 和 K 表示。
    从上式可以看出,MOS 器件的漏极电流值的漏极电流不匹配是由于阈值电压和电导常数不匹配造成的,参见 Lakshmikumar 等人 (1986)。 电流镜和差分放大器的匹配特性可归因于几何参数和工艺参数的系统和随机变化。 随机变化很容易建模,并且可以在面积和性能之间进行权衡,以补偿这些参数的随机变化。 系统变化包括迁移率 (µ)、COX、阈值电压 (VT) 和 ? 变化。 在本文中,仅考虑了各种布局的 VT 变化来比较匹配特性。

    提高匹配的布局技术

    数字电路通常使用最小尺寸的器件来实现高速、低面积和低功耗。 对于有时需要具有大“宽度”和“长度”的晶体管以增加增益和降低噪声的模拟电路来说,情况并非如此。 如此大的设备更可能受到整个 IC 工艺变化的影响,这种情况对于匹配的组件至关重要。 用于减少工艺变化影响的不同方法是指叉型、公共质心和鳍型布局。 这个想法是将大型设备划分为更小的部分,然后物理地交替小部分,以减少它们的相对距离。 例如,让我们考虑两个需要匹配的大晶体管由四个较小的部分组成,AAAA 和 BBBB,每个字母代表一个单元。 如果两个如图 1(a) 所示相邻放置但分组,则它们的“中心”之间的距离将为 4 个单位,因此可能会有很大的变化。 但是,如果两者如图 1(b) 所示交错排列,则可能的变化很小。“中心”之间的相对距离现在只有 1 个单位,工艺变化减少了四倍。 这种变化可以通过使用所谓的“公共质心”配置来完全补偿线性梯度,其中部件的排列方式使得两个“中心”(或质心)重合。

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    有趣的是,有几种方法可以做到这一点,其中一个选项如图 2 所示。在该图中,显示了具有多行和多列的“二维”排列,显示了一种可能的配置(我们使用的配置) .

    对 VT 变化进行建模

    参数梯度通过有源设备本身以分布式方式建模。 匹配特性通常是管芯上阈值电压梯度角度的强函数,对于任何角度,阈值梯度对公共质心布局的影响都很小。 用于预测阈值梯度影响的广泛使用的方法是基于派生在 Pelgrom [1989] 中的等效阈值电压,对于由公式 1 给出的器件。

    如果阈值梯度幅度为 a 且梯度方向为 ? 如图 4 (a) 所示,方程组 2 适用于图 4 (a) 所示的简单电流镜结构,其电路原理图如图 3 所示。

    其中 DH 是两个漏极扩散 D1 和 D2 之间的最小间隔,通常为 3 λ,VT1 和 VT2 是两个晶体管的阈值电压,VTN 是图 4 中基点“O”处的阈值电压(a )。 应用等式 1 中的等效 VT 来找到四个晶体管布局的阈值电压,如图 4 (b) 所示的公共质心 I 型和 II 型。 这些 VT 的表达式在公式 3 中给出。

    其中VT1和VT4对应“晶体管一”的两个单元晶体管,VT2和VT3对应“晶体管二”的两个单元晶体管。 其中 DV/S 表示 DV 或 DS。 DV 和 DS 是两个通道之间所需的最小距离,如图 4 (b) 所示。 为了公平比较,所有结构的不匹配都是用相同的有效面积、W/L 和 DH 测量的。 失配定义如下。

    改进了 Cascode 电流镜的布局结构

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    让我们考虑图 3 (b) 所示的级联电流镜 (CCM) 电路。 图 5 显示了这种 CCM 的交叉数字化和通用质心布局技术。图 6 显示了一种新的级联共栅布局,它提供了对通用质心技术所能实现的改进的改进。所提出的技术试图最小化失配,在这种情况下,常见 质心结构表现出最大的失配。 方程组 4 中的表达式用于绘制镜像布局的不匹配以及以下变量范围:0 = ? = 360°,VTN=0.8V,a=0.5mV/um,W=15um,L=5um,DH=3um。 通过观察图 7 和图 8,可以推断出所提出的技术比普通质心布局可实现的匹配性能提高了。

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    表 1 总结了已模拟的不同级联电流镜布局中电流失配的结果。 已获得线性梯度为 0.5mV/um 的结果。

    结论

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    我们使用 Fintype 布局获得了比简单布局、交叉数字化、公共质心布局结构更好的 CCM 匹配特性。 我们观察到模拟结果显示在测试结构存在线性梯度的情况下匹配有所改善。 几种布局结构的性能比较表明,由于参数梯度,反射镜增益的灵敏度存在显着差异。 所提出的技术的缺点是需要更多的硅面积

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