4.4 基本电流镜慕课视频播放-微电子电路基础-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

各位好

在本小节的内容中

我们会介绍

基本的电流镜

我们知道

当理解了单端的放大电路

差分的放大电路以后

我们上节课讲到了

对于差分电路里面

需要采用电流镜

因此我们必须了解

什么叫电流镜

如何采用基本的电流镜结构去设计放大器的

电流源

首先

电流源的设计是基于对基准电流的复制

比如说我们看到

下面的这个图中

我们有一个参考的电流源

通过复制可以得到

{\u1}I{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}I{\fs10\u0}2{\r}两个不同的电流源

当然{\u1}I{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}I{\fs10\u0}2{\r}大小可以相同

也可以不同

这样的复制是如何实现的呢

我们看到对于电流的复制

是通过一个复制电路来实现的

这样的复制电路我们把它

换成一个晶体管的结构

那么就是这样子一个结构

这样的结构为什么能够对电流进行复制呢

很简单

因为两个都工作在饱和区

且具有相等栅源电压

和相同尺寸的晶体管传输相同的电流

假设

这有一个前提

就是我们忽略沟道长度调制效应

也就是{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}对于两个不同的晶体管所造成的影响

下面我们来看一下

首先我们可以写一下

两个电流的公式

我们这个里面说到了

忽略沟道长度调制效应

如果我们不忽略

就是加一个

加上λ乘以{\u1}V{\fs10\u0}ds{\r}

那么可以写成

{\u1}I{\fs10\u0}out{\r}等于同样

在这里面我们假设了

{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}是相等的

对于{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}晶体管

当然{\u1}V{\fs10\u0}GS{\r}因为它们都接在同一个节点上

它必然是相等的

所以我们可以得到

输入电流就等于

采用这样的一个方式

只要保证{\u1}(W/L){\fs10\u0}2{\r}是{\u1}(W/L){\fs10\u0}1{\r}的某一个倍数

就可以得到

你想要得到的　精确的　多少倍的{\u1}I{\fs10}REF{\r\u0}的电流

因此该电路可以精确的复制电流

而不受工艺和温度的影响

{\u1}I{\fs10\u0}out{\r}与{\u1}I{\fs10\u0}REF{\r}的比值尺寸的器件比例决定

那么当我们考虑到沟道长度调制效应

又会产生什么样的结果

这个地方

同样的方法

我们把{\u1}I{\fs10\u0}D1{\r}和{\u1}I{\fs10\u0}D2{\r}写出来

当然都考虑到沟道长度调制效应

两个式子相除就会得到

我们就得到{\u1}I{\fs10\u0}D1{\r}比{\u1}I{\fs10\u0}D2{\r}除了和W/L的比值有关以外

还和{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}相关

当然了

这个相关就是比较弱的

为什么呢

因为一般情况下

我们说λ都是在零点1或者零点零几

的这么一个值

下面我们看一下

由于刚才我们提到的非理想性

因此我们希望能够抑制

λ乘以{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}

在对于镜像电流镜的精确复制方面

所产生的影响

这个时候

我们就可以采用

共源共栅的电流源

它的好处是什么样子呢

它的好处就在于

共源共栅结构可以使

底部的晶体管免受{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}变化的影响

也就是说

如果采用共源共栅的结构

{\u1}V{\fs10\u0}p{\r}的变化

不会导致{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}产生巨大的变化

从而使得{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}可以很准确的复制{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}

也就使得这两个晶体管

不管是{\u1}V{\fs10\u0}GS{\r}还是{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}

都是非常非常接近甚至说完全相等的

那么

下面我们看一下

确定在这个设计的过程中

首先是确定共源共栅电流源的偏置电压{\u1}V{\fs10\u0}D{\r}

那么这个{\u1}V{\fs10\u0}D{\r}的目的是

确保

{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}　{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}3{\r}三个管的都工作在

饱和区

并且是共源共栅的电流镜结构

目标是确保{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}

这个时候如果我们选择{\u1}(W/L){\fs10\u0}3{\r}

除以{\u1}(W/L){\fs10\u0}0{\r}

等于{\u1}(W/L){\fs10\u0}2{\r}

除以{\u1}(W/L){\fs10\u0}1{\r}

也就是说

{\u1}M{\fs10\u0}3{\r}　{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}

和{\u1}M{\fs10\u0}0{\r}　{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}

是完全是按比例的

那么

{\u1}V{\fs10\u0}GS0{\r}就等于{\u1}V{\fs10\u0}GS3{\r}

从而

{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}

共源共栅电流镜也会有问题

什么样的问题呢

有同学就想到了

共源共栅电流镜

你采用两个管子叠加到一起

这样子就意味着

你消耗了多余的电压裕度

假设我们忽略了衬底调制效应

并且假设所有的晶体管都是相同的

那么P点所允许的最小的电压值是等于什么呢

也就说这一点

那么我们来看一下

首先

{\u1}V{\fs10\u0}N{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

也就是说{\u1}V{\fs10\u0}N{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

需要保证的是

{\u1}M{\fs10\u0}0{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}3{\r}的晶体管

及{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}的晶体管

都在饱和区

根据{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}大于{\u1}V{\fs10\u0}GS{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

这么一条的要求

我们就知道

{\u1}V{\fs10\u0}N{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

就等于{\u1}V{\fs10\u0}GS0{\r}加上{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

这个{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}

对应的是{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}和{\u1}V{\fs10\u0}Y{\r}的电压

那么

{\u1}V{\fs10\u0}GS0{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

对应的是

{\u1}M{\fs10\u0}0{\r}或者{\u1}M{\fs10\u0}3{\r}

在饱和区的时候

你的电压的裕度的要求

那么就可以写成

{\u1}V{\fs10\u0}GS0{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}减去{\u1}V{\fs1\u00}TH{\r}

加上{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}

也就是说

我们需要的最小电压值

等于两倍的饱和的{\u1}V{\fs10\u0}DS{\r}的电压

再加一个{\u1}V{\fs10\u0}TH{\r}才可以

在这样的情况下

我们就采用了另外一种新的结构

也就是低电压工作的共源共栅电流镜的结构

这个结构和上一个结构的区别在于

把X这一点和栅极输入接在了一起

采用这种结构叫做共源共栅输入输出短接结构

采用这种结构

为使{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}和{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}处于饱和区

{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}应该满足的条件

首先第一条是

{\u1}V{\fs10\u0}GS{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH1{\r}小于等于{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}GS2{\r}

也就是使得{\u1}M{\fs10\u0}1{\r}管在饱和区

第二条

{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH2{\r}要小于等于{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}

也就是使得{\u1}M{\fs10\u0}2{\r}在饱和区

同样

{\u1}V{\fs10\u0}X{\r}所对应的值

就是{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}

我们对这个公式求解

可以得到

{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}取值的范围

当然

要使得{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}有解

必须使得左边这个式子

要小于右边这个式子

所以这个是对它的一个前提条件

最后要使所有的晶体管都处于饱和区

我们要选择合适的器件尺寸

使得{\u1}V{\fs10\u0}GS2{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}GS4{\r}

在这种情况

我们如果选择最小的一个{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}的取值

也就是{\u1}V{\fs10\u0}b{\r}等于{\u1}V{\fs10\u0}GS2{\r}

加上{\u1}V{\fs10\u0}GS1{\r}减去{\u1}V{\fs10\u0}TH1{\r}

在这种情况下

我们就可以得到最小的电压裕度

也就是消耗最小的电压裕度

并且可以精确的复制{\u1}I{\fs10\u0}REF{\r}

这节课内容就讲到这里

微电子电路基础课程列表：

第0章——课程介绍

-0.0 课程介绍

--课程介绍-视频

第1章——PN结

-1.0 本周课程简介

-1.1 PN结的简介

-1.2 PN结的平衡状态

-1.3 能带图

-1.4 PN结动画介绍（英文版）

--The PN Junction How Diodes Work (English version)

-讨论题

第2章——MOS晶体管原理

-2.0 本周课程简介

--第二周课程简介

-2.1 MOS结构的阈值电压

--2.1 MOS结构的阈值电压（1）

--2.1 MOS结构的阈值电压（2）

-2.2 MOSFET的直流电流电压关系

--2.2 MOSFET的直流电流电压关系（1）

--2.2 MOSFET的直流电流电压关系（2）

-2.3 MOSFET的交流小信号参数及等效电路

--2.3 MOSFET的交流小信号参数及等效电路

-讨论题

第3章——单级放大器

-3.0.0 模拟电路设计概论

-3.0 本周课程简介

-3.1 模拟电路基础概念

-3.2 基本共源放大器

-3.3 共源放大器的拓展

-3.4 源极跟随器

-3.5 共栅放大器

-3.6 共源共栅放大器

-3.A WinSpice 软件的使用与仿真程序

--3.A WinSpice 软件的使用与仿真程序

第4章——差分放大器

-第四周课程介绍

-4.1 差模信号和共模信号

-4.2 基本差分对

-4.3 共模响应

-4.4 基本电流镜

-4.5 有源电流镜

第5章——频率响应

-第五周课程简介

-5.1 波特图的回顾和开环时间常数

-5.2 密勒效应

-5.3 MOS晶体管高频模型

-5.4 共源高频响应

-5.5 源随高频响应

-5.6 共栅高频响应

-5.7 共源共栅高频响应

-5.8 差分的高频响应

第6章——反馈和运算放大器

-第六周课程简介

-6.1 反馈介绍和四种基本反馈

-6.2 四种基本反馈

-6.3 反馈参数和稳定性参数

-6.4 频率补偿

-6.5 共源共栅放大器

-6.6 折叠共源共栅放大器

第7章——数字电路基础

-第七周课程简介

-7.1 逻辑门

-7.2 布尔代数的运算法则

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