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第5章无源和有源电流镜ok

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第5章 电流镜

第5章 电流镜
误差。
二 • 共源共栅电流镜
基本共源共栅电流镜
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复制! 即使VP变化, 因∆VY= ∆VP /(gm3r03), 故VX≈VY , Iout≈ IREF。注意, 这是 靠牺牲电压余度来获得的精度!
M0、M3选择合适的宽长比使 VGS0＝VGS3，则VX=VY 。
虚框内电路对称,可用半电 路虚地概念
三 • 有源电流镜 有源负载差动对的小信号增益（2）
由KVL定理，得:
V
V
in
in
V = -g (- )r +g r =g V r
eq
m2
02 m1 01 m1(2) in 01(2)
2
2
由戴维南定理，显然: R = r +r = 2r eq 01 02 01(2)
较少的电压余度而采用较小的偏置电压时，这个问
题更严重。
例如，若Von1＝200mV，VTH有50mV的误差就会使输出电流产生44%的误差。
如何产生精度、稳定性均较好的电流源?
一 • 基本电流镜
用基准来产生电流源
用相对较复杂的电路(有时需要外部的 调整)来产生一个稳定的基准电流IREF。
在模拟电路中，电流源的设计是基于对一个稳定的基准电流IREF的复制 ( IREF常由基 准电路(第11章)产生，这里不作讨论) ，从而得到众多的电流源 。现在我们关心 的是，如何产生一个基准电流的精确复制呢？
二 • 共源共栅电流镜
低压共源共栅电流镜的原理
上图中VA=VGS1-VDS2，若选取VDS2≈ VT , 则：
VB =
VA ≈ Von1(3), 于是:VXmin=Von4+Von3, 比基本共源共栅电流

第五章 电流镜

第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计 第五章 电流镜
6
5.1 基本电流镜
观察MOS器件的电流公式 unCox W (VGS − VTH ) 2 I OUT ≈ 2 L 两个具有同样VGS的NMOS，如果管子尺寸相同，工艺偏差 不计(VTH相同)，那么两个管子流过的电流就相同。从这一点 出发，我们考虑到法一： Av=GmRout 从右图计算Gm，由于X点的摆幅较小，可以认为X点 的变化对P点的影响很小，所以P点为虚地。那么
I out + g m1Vin / 2 = g m 2 ( −Vin / 2) ⇒| Gm |= g m1, 2
从右下图计算Rout。
IX = 2 2rO1, 2 VX VX + || rO 3 rO 4 + g1 m3 ) ⇒ Rout = rO 2
I OUT ≈ u nCox W R2 ( VDD − VTH ) 2，为了减小电流源消耗的电压余度 2 L R2 + R1 过驱动电压一般比较小100 ~ 400mV，若Vov = 200mV，有50mV的偏差， 就会导致输出电流有44%的误差。看来这种产生电流源的方式是不可取的。 同时，电源的噪声也会引起电流误差。
CMOS模拟集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Oct.2014
本章内容
第五章
电流镜
CMOS模拟集成电路设计
第五章 电流镜
2
本章内容
5.1 基本电流镜 5.2 共源共栅电流镜 5.3 低压共源共栅电流镜 5.4 与差动对结合的电流镜
第五章 电流镜
CMOS模拟集成电路设计
18
5.3 低压共源共栅电流镜
这个电路不采用电阻，避开了电阻的精度问题。 只要合理放大M7的尺寸就能够使VGS7≈VTH7，从而 获得前述要求的关系式。然而这个结构同样存在 衬偏效应的问题。 使用源跟随器MS，直接使共源共栅级的偏置下 降VTH，这样一来也可以使电压余度消耗为两 个过驱动电压。但A,B两点的电位将不能近似 相等，导致精度的损失。这种结构有时也会使 用，因为共源共栅结构的电流镜不单单是为了 实现高精度，我们也有时仅仅利用其高输出阻 抗。

模拟集成电路设计教学大纲

模拟集成电路设计教学大纲

模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。

课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。

先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。

一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。

二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。

3、重视学生的计算能力培养。

三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。

掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。

第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。

难点在于小信号模型和SPICE模型。

掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。

第五章无源与有源电流镜

第五章无源与有源电流镜

无源与有源电流镜 Ch. 5 # 5
基本共源共栅电流镜
选择Vb使VX=VY, Iout即是IREF的精确复 制! 即使VP变化, 因VY= VP /(gm3r03), 故VXVY , Iout IREF。注意, 这是靠牺牲 电压余度来获得的精度!
M0、M3选择合适的宽 长比使VGS0＝VGS3， 则VX=VY 。
ID1 ID3 ID4 gm1,2Vin/ 2
ID2 gm1,2Vin/ 2
Iout ID2 ID4 g m1,2Vin , G m g m1,2
无源与有源电流镜 Ch. 5 # 16
近似计算 Rout
1:1镜象到M4从 VX抽取的电流
IX
2
RXY从VX抽取的电流
VX
VX
2 ro1,2 1 / gm3 r o 4
无源与有源电流镜 Ch. 5 # 6
基本共源共栅电流镜的摆幅问题
例5.4 画出VX 从一个大的正
电压下降时IX 和VB的草图。
M2退出饱和
当M3刚退出饱和时VDS3=Von3, 因M3退出饱和以前可以认为VB 基本不变(△VB ≈△VA/(gm3r03)) , 即VB = VA =VGS1(2), 故当M3刚退 出饱和时有:
r03(4)
Req
2r01(2)
(1+
r01(2) r03(4)
)V0
=
g r V m1(2) 01(2) in
无源与有源电流镜 Ch. 5 # 23
有源负载差动对的小信号增益（6）
(1+
r01(2) r03(4)
)V0
=
g r V m1(2) 01(2) in
AV
=
V0 Vin

第五章无源光器件共74页PPT资料

第五章无源光器件共74页PPT资料

04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-46 复用器插入损耗—波长关系曲线
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-47 解复用器波长—插入损耗关系曲线
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
Ⅰ 中心波长λ和中心波长的工作范围Δλ Ⅱ 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 Ⅲ 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L23
（2）带宽（BFWS）：R为fq谐振fq峰1降2至cn一l半时所对应的
频带宽度，又称为3dB带宽。
04.09.2019
nancy
3.4.4 光开关
能够控制传输通路中光信号通或断或进行 光路切换作用的器件，称为光开关。

光开关一般包括两种：机械式光开关和电 子式光开关。
04.09.2019
作为输出端口。
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
图3-45 WDM光传输原理图
04.09.2019
nancy
2．光波分复用器
（2
①
复用器的光学特性可以用给定的输入端口 的插入损耗—波长关系曲线表示。
②
解复用的光学特性，可以用输入端到N个输
出端的各信道的波长—插入损耗关系曲线来 表达
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
nancy
设 特 定 波 长 为 λ1 和 λ2 ， 1 、 2
选择光纤参数，调整有效作
a
用长度，使得当光纤a的输
b
出Pa(λ1)最大时，光纤b的输
出Pb(λ1)=0；当Pa(λ2)=0时， Pb(λ2) 最 大 。 对 于 λ1 和 λ2 分 别为1.3μm和1.55 μm的光纤

第5章 无源与有源电流镜

第5章 无源与有源电流镜

共源共栅屏蔽特性
华侨大学IC设计中心
若系统内部电路导致X 点的电压与Y 点的电压由∆V的差值， 则P点电压与Q点电压的差值为多少？
∆VP ,Q ≈ ∆V [( gm 3 + gmb 3 )rO 3 ]
见书P75,式3.130 P75,式
共源共栅器件可以使底部晶体管免受变化的影响。
共源共栅电流镜
抑制沟道长度调制效应
基本电流源的误差
沟道长度调制效应
Y
X
华侨大学IC设计中心
(W L ) 2 λ＝0， I out = I REF ⇒ (W L ) 1 λ ≠ 0：
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS1 ) 2 L 1
I D1 =
。
I D2 =
1 W µ n C ox (VGS − VTH )2 (1 + λVDS 2 ) 2 L 2
= (VGS 3 − VTH ) + (VGS 2 − VTH ) + VTH
VN = VGS 0＋VX = VGS 3 + VY = VGS 3 + VGS 2
两个过驱动电压加上一个阈值电压
M2饱和，VY ≥ VGS 2 − VTH M 1饱和，VP − VY ≥ VGS 3 − VTH ⇒ VP ≥ (VGS 2 − VTH ) + (VGS 3 − VTH )
I D 2 (W L )2 1 + λVDS 2 = ⋅ I D1 (W L )1 1 + λV DS1
VGS 1 = VGS 2 = VDS 1 , 但是VX 可能不等于VY，即VDS1 ≠ VDS2 导致I out ≠ I ref

有源光器件和无源光器件区别及基础剖析


光开关
多波长光源 DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换
可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
光器件的分类
• • • • • 光电变换器件 光开关与调制器件 光放大器件 光色散补偿器件 光网络器件
光电变换器件
• • • • • • • • • F-P腔激光二极管(LD) 分布反馈布拉格激光器(DFB) 分布布拉格反射激光器(DBR) 外腔激光器与Q开关激光器 发光二极管(LED) 光纤激光器(OFL) 垂直腔表面发射激光器(ECSEL)
3.2 半导体光源
3.2.1半导体激光器的特点和应用 3.2.2半导体激光器（LD）
3.2.2发光二极管（LED）
3.2.1 半导体激光器的特点和应用
半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。 •受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E 的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的 光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐 射→同步的。 •形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。 •受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这 个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电子， 需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加 大的正向电流。 •为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
b)驻波注入时的FP-LD
例如：
如果L= 0.4mm = 400 μm， n=1 而λ= 1300 nm= 1.3 μm
则N = 615 谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其 也支持：2L(N ±1), 2L(N ±2),等等波长。这些 谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增 加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个， 被称之为跳模。 因为λ = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔

电流镜的原理及应用毕业论文.doc

关键词：共源共栅；电流镜；电流控制；电流传输器
TheResearch andApplication of Current Mirrors
Liao YΒιβλιοθήκη long(Hunan Institute of the Humanities Science and Technology Hunan Loudi 417000)
2.2.1第一代电流传输器CCI
（1）第一代电流传输器(CCI)的电路符号及端口特性
K.C.Smith和A.Sedra在1968年提出了第一代电流传输器(CCI)[4]。第一代电流传输器是一个三端口器件。它有两个电流输入端和一个电流输出端，分别用X、Y、Z表示。CCI的输入与输出端口特性可用矩阵式(2-1)所示。
Abstract：The paper studies the principle and improvements of CMOS current controlled conveyor. Regardless of the size of the signal, CMOS current controlled conveyor always provides higher voltage gain under wider bandwidth than the corresponding bandwidth operational amplifier and has the power adjustable features.The circuit used widely by scholars is the traditional CCCⅡproposed by Fabre and it consists of translinear loop and the basic current mirror circuit.However, the weakness of the basic current mirror circuit is low transmission precision, low output impedance and no current negative feedback circuit. Therefore，the paper presents a CMOS current controlled current conveyor based on cascode current mirror. The improved CCCⅡcircuit is constructed by a translinear loop and cascade current mirror. Compared with CCCⅡbased on the basic current mirror, the improved CCCⅡcircuit has the following merits: high output impedance, high current transfer accuracy. Performance principle of the circuits is analyzed and experiment results are given. The results of experiment verify the feasibility of the improved CCCⅡ.

chapter5电流镜


2009-3-24
6
Example 5.2
• M1的小信号漏电流 ： i1 = g V m1 in
I D3
= ID2
(W / L)3 (W / L)2
=
I
D1
(W (W
/ /
L)3 L)2
• 小信号漏电流 ：
i3
= i1
(W / L)3 (W / L)2
=
g V m1 in
(W / L)3 (W / L)2
• 工艺误差对于共模输出电平影响比较大。
2009-3-24
21
5.3.1 Large-signal analysis
• 考察 Vin1 − Vin2 从很负到很正变化（ Vin1 = Vin2 时， 应保证P点电位使M5工作在饱和区）。
• Vin1 − Vin2 很负时，M1、M3和M4截止。故无电 流 从 VDD 流 出 ， M2 和 M5 工 作 在 深 线 性 区 ， Vout=0。
xyvv22223321120021212121thgsoxnthgsoxnoutthgsoxnthgsoxnrefvvlwcvvlwcivvlwcvvlwci????????????????????????????example53112009324已知电流源两端电压最小为05vvddvn解出最大irefmaxythoxnrefxthxnoxnthxoxnrefvvlwcivvvvlwcvvlwci?????????????????????1120021122121011000110002222ththoxnrefththoxnrefoxnrefthxoxnrefnvvwlwllwcivvlwcilwcivvlwciv????????????????????????????????????????????电压余度122009324voltageheadroom分析

无源与有源电流镜


电路复杂度
无源电流镜的电路结构相 对简单，易于实现，而有 源电流镜的电路结构相对 复杂，实现难度较大。
性能指标
无源电流镜和有源电流镜 在性能指标方面各有优劣， 具体选择取决于实际应用 需求。
05
无源与有源电流镜的未 来发展
技术挑战与解决方案
技术挑战
无源电流镜在保持高速度和高精度的同时，面临着功耗和散热的挑战；有源电流镜的精度和线性度仍 有待提高。
发展趋势比较
无源电流镜
随着对低功耗和低噪声电路需求的增加，无源电流镜的研究和应用将进一步发展。未来可能通过改进工艺和材料 提高其性能，并拓展到更多领域。
有源电流镜
随着对高速、高带宽和低失真电路需求的增加，有源电流镜的研究和应用将进一步发展。未来可能通过改进电路 设计和优化工艺提高其性能，并拓展到更多领域。
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优点与限制
优点
无源电流镜具有低功耗、高精度和稳定性好的优点，适用于需要低功耗和精确 复制电流信号的电路中。
限制
无源电流镜的输出电流大小和范围有限，且对工艺和温度变化敏感，需要精确 匹配和校准。
应用领域
01
02
03
生物医学工程
用于构建低功耗、高精度 的生物医学传感器和电路。
通信技术
用于实现高速、低噪声的 电流信号传输和处理。
物联网
用于构建低功耗、高精度 的无线传感器节点和电路。
02
有源电流镜概述
定义与工作原理
定义
有源电流镜是一种电子器件，通过复制输入电流并产生一个精确的镜像输出电流 。
工作原理
有源电流镜通常由一个或多个晶体管构成，通过精确调整晶体管的参数，使得输 出电流与输入电流相等或成比例。
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模拟集成电路原理第5章无源与有源电流镜
董刚
gdong@
微电子学院
本讲电流镜 基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
电流镜做负载的差分放大器 大信号特性
小信号特性
共模特性
明确几个概念
电流源
Current source
电流沉
Current sink
电流镜
Current Mirror
无源电流镜
Passive Current Mirror
用做产生直流偏置电流时
有源电流镜
Active Current Mirror
象有源器件一样用作小信号处理时
“有源/无源电流镜”概念仅在Razavi书中出现
本讲电流镜 基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
电流镜做负载的差分放大器 大信号特性
小信号特性
共模特性
电流源
AIC中经常需要电
流源
对电流源的期望
电流值能由设计者
方便地设定在某一
期望值，并且电流
值的偏差能被控制
在一定范围内
电流值往往会随工
艺、电源、温度等
变化而变化
电阻、电容、噪声
等
如何电路实现并可
设、精确、稳定？
基于基准电流的电流源－原理
I REF
基准电流
由专门的电路来产生，如带隙基准源等（第11章），是一个重要、活跃的研究领域
基准电流的电流值精确、稳定（对电源电压、工艺偏差、温度变化等不敏感）
基于I REF ，“复制”产生所需各电流
常用复制方法是先把I REF 转换为电压，在由该电压转换为电流
基本电流镜在差分放大器中的应用
高输出摆幅、高增益的二极管接法MOS管做负载的差分放大器
高输出摆幅的差分放大器
见教材P104，图4.33
m DW W m −)(
本讲电流镜 基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
电流镜做负载的差分放大器 大信号特性
小信号特性
共模特性
X X V端有ΔV的电压跳变时，表现在
V b 产生方法
使V Y =V X
对V b 有什么要求？0
GS X N V V V +=X
GS GS GS N Y V V V V V V +−=−=303只要V GS0=V GS3，即可V X =V Y 只需(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1
GS0GS3X3021
大信号特性
M2管开始退出饱和区，输出电阻开始大幅度下降
M3管开始退出饱和区考察V x 逐渐下降的过程
输出摆幅问题
优点
提高了输出电阻，从而提高了电流复制精度高
缺点
降低了输出摆幅
1
331313OV OV TH OV GS TH GS GS TH b P V V V V V V V V V V V ++=+=−+≥−≥1
333GS GS X GS Y GS N V V V V V V V +=+=+≥如何提高输出摆幅？
提高输出摆幅
提高方法
降低V b 的值
原理
2
121TH GS b GS OV V V V V V +≤≤+要保证M1和M2都工作在饱和区，需要V b 满足：
4
min ,TH b out V V V −=输出电压的最小值：
V b 取最小允许值时，V out,min 最小，输出摆幅此时最大
2
1min
,GS OV b V V V +=V b 的最小值为：2
1421min ,OV OV TH GS OV out V V V V V V +≈−+=在提高摆幅的同时，仍有V A = V B ，仍可保证高精度复制电流
V b的产生方法
2
1
2
1TH
GS
b
GS
OV
V
V
V
V
V+
≤
≤
+
2
1
min
,GS
OV
b
V
V
V+
=
对V
b
的要求：
2
1
min
,OV
OV
out
V
V
V+
≈
)
(
1
6
5
6
5b
GS
GS
DS
GS
b
R
I
V
V
V
V
V−
+
=
+
=
合理设计I
1
、(W/L)
5
和R
b
的
值，可以得到期望的V
b,min
)
(
7
6
5
6
5
GS
GS
GS
DS
GS
b
V
V
V
V
V
V
−
+
=
+
=
实际设计时要留出一定余
量，以确保M1、M2能可靠
地工作在饱和区
本讲电流镜 基本电流镜
共源共栅电流镜
有源电流镜
电流镜做负载的差分放大器 大信号特性
小信号特性
共模特性
小信号特性－差分增益
不能用半电路法分析该电路因为P 点不能当做交流地从V in 到V X 和V Y 的增益差别很大，V X 和V Y 的摆幅差别很大，使得V X 和V Y 对V P 的作用不能互相抵消求差分增益A v ？
方法一：A v ≈G m R out
求出等效跨导G m 和输出电阻
R out 即得到A v
方法二：用戴文宁定理等效输入信号后计算
方法一－G m 的计算
2/ 2/2,122,1431in m d in m d d d v g i v g i i i −====2
,12,142, m m in m d d out g G v g i i i =⇒−=−=求G m ：将输出端接地，计算i out /v in 即可在输出端接地情形时，P 点可看作交流地
方法一－差分增益
A v ≈g
m1,2
(r
o2
||r
o4
)
2,1
m
m
g
G=
4
2
||
O
O
out
r
r
R≈
方法二－戴文宁等效
方法二－戴文宁等效
in
O m eq v r g v 2,12,1=如何求V eq 和R eq ?画出小信号等效电路，仔细推导一下即可
2
,12O eq r R =
1r
小信号特性－存在失配时的共模增益M1和M2因失配导致跨导不一样
计算思路：由v in,CM 求出v P ；再计算i D1和i D2；由i D1求出i D4；i D2和i D4之差乘以输出阻抗，即为v out
作业
5.3，5.6，5.8
应用本章内容。