文档介绍：恒流源电路
基本电流镜结构
电流复制的基本原理
相同的工艺参数制作的两个
相同的MOS器件具有相同
的栅源电压,并且都工作在
饱和区则其漏极电流完全相
等,即实现了所谓的电流复制。
但由于存在沟道调制效应时,其漏源电压
VDS若不相等,则其电流也不会相同。
基本电流镜结构
在考虑沟道调制效应时有:
从上式可以看出:假如已有IR,只要改变M1与M2的宽长比,就可设计出Io,它即可以与IR相等,也可与IR成一比例关系,所以也称为比例电流镜,这种技术在模拟集成电路中有着广泛的应用,比如作为放大器的负载。
但是由于存在沟道调制效应,且VDS2是一变量,因此Io实际上不是一个恒流源。
基本电流镜结构
如何改善Io的恒流特性以实现真正意义上的电流源,可以看到原则上有两种方法:
1、减小以至消除M2的沟道调制效应(因为VDS1=VGS1为定值,故M1不影响Io的恒流特性),即通过增大M2的沟道长度,以减小λ,增大输出阻抗,从而改善恒流特性。
2、设定VDS2=VDS1,则可知Io与IR只与M1、M2的宽长比相关,从而得到具有很好的恒流特性的电流源。
基本电流镜结构
因为沟道调制效应在小特征尺寸的CMOS工艺中是不能消除的,因此通常是采用第二种方法来改善电流源的恒流特性,由此而设计出了多种恒流源电路结构。
另外,有时还由于存在不同的体效应,使各自的阈值电压Vth不相等,因而其电流也会产生偏差,这也可以通过电路的合理设计以消除它对电流镜的影响。
威尔逊电流源
该电流源的基本原理是利用负反馈来提高电流源的输出阻抗以使电流源具有良好的恒流特性。
威尔逊电流源
上图中,由于VDS1=VGS3+VGS2,而VGS1=VGS2,所以:VDS1>VGS1,因此M1一定工作在饱和区,所以根据饱和萨氏方程可得:
由于VDS2=VGS2,VDS1=VGS2+VGS3,即VDS1≠VDS2,所以在这种电流源中,Io/IR的值不仅与M1、M2的几何尺寸相关,还取决于VGS2与VGS3的值。
威尔逊电流源
根据交流小信号等效电路,可求出电路的输出阻抗。忽略M3的衬偏效应,则有:
进一步可推导出:
假定gm1=gm2=gm3,且gm1rds1>>1,则上式可简化为:
威尔逊电流源
与基本电流镜结构相比,威尔逊电流源具有更大的输出阻抗,所以其恒流特性得到了很大的提高,且只采用了三个MOS管,结构简单,并可应用在亚阈值区。
但是图4中M3与M2的漏源
电压仍不相同,因此提出
了一种改进型的威尔逊电
流源,如图所示。
威尔逊电流源
上图中引入了二极管连接的MOS管M4。
根据饱和萨氏方程,Io/IR的表达式与上式相同,且有:VDS1=VGS2+VGS3-VGS4。设定VGS3=VGS4,则有VDS1=VGS2= VDS2,则有:
上式表明,该结构很好消除了沟道调制效应,是一精确的比例电流源。而且只需四个MOS管就可实现,因此有较广泛的应用。这种结构也可用于亚阈值区域作为精确的电流镜使用。
而要达到VGS4=VGS3,根据饱和萨氏方程可以得到其条件为: