電流鏡的仿真與分析

1、差分放大器中偏置電流源的設(shè)計與仿真08微三張萬里 2008700519、八前言隨著模擬集成電路的發(fā)展，我們對電路要求的性能越來越高。 而在模擬集成電 路中，運算放大器則起到了關(guān)鍵的作用。在模擬電路中好的性能很大程度上依賴 它的偏置電路，而偏置電路主要使用的是恒定電流源。 在包含多級放大器的集成 電路芯片上，一個恒定的直流電源(稱為參考電流源)在一個地方生成后可被復制 到其他許多地方，通過一種叫電流導向的過程為各級放大器提供偏置。這個方法有一個優(yōu)點，設(shè)計者只需要把精力集中在得到可預(yù)知和穩(wěn)定的參考電流上，這通常是利用芯片外的一個精確的電阻完成的， 而不必把這個工作在每一級放大器上 重復進行。另外，

2、在電源電壓或溫度有所改變的情況下， 各級放大器的偏置電流 始終保持一致。本文基于此，對偏置電流源的電路進行初步的設(shè)計與仿真。1 MOSFET基本電流源圖1畫出了一個簡單的MOSFET恒流源電路。這個電路的核心是晶體管 M1， 它的漏極和柵極短接，從而保證它工作在飽和區(qū)：這里忽略了溝道長度調(diào)制效應(yīng)。M1的漏極電流由Vdd通過電阻R提供。電阻R在大多數(shù)情況下位于集成電路芯片之外。因為柵極電流為0，所以V DD V GSR這里通過R的電流被認為是電流源的參考電流，記做1 REF。式(1)和式(2)可以用來確定R的值圖1偏置電流源電路的簡單模型現(xiàn)在來看晶體管M2。它的vgs與M1相等，因此如果假設(shè)它工

3、作在飽和區(qū), 那么其漏極電流(既電流源的輸出電流Io為I。=1 D2 二訃 n WW VGs Vtn這里也忽略了溝道長度調(diào)制效應(yīng)。利用式(1)和式(3)。我們可以得到輸出電流1。與 參考電流Iref的關(guān)系如下:WI。. L 2Ire礦這是一個簡單而重要的關(guān)系：M1和M2的特殊連接使得輸出電流Io參考電流I REF的關(guān)系可以用兩個管子的寬長比來表示。換句話說，IO和丨REF的關(guān)系完全由晶體管的幾何尺寸決定。為了保證 M0工作在飽和區(qū)，M0漏端連接的電路必 須使得漏極電壓V。滿足一下關(guān)系：2幾種偏置電流源電路在放大電路中的應(yīng)用與比較2.1基準電流源測試電路我們設(shè)計一個測試電路(如圖2所示)為了測試

4、各種偏置電流源的特性，以此來選擇性能最好符合我們需要的電路。在整個測試電路中我們都是用相同的晶體管 尺寸。電路包含了一個基本的差分對(W=1900nm,L=350nm), 個基本的二晶體管有效負載(W=800nm,L=350nm)和一個共源放大器(W=800nm,L=350nm)。我們在 整個測試過程都采用V DD =1.8V的電壓供給圖2基本的測試電路晶體管的長度被設(shè)計了，由此差分對的供給電壓在6uA和7uA之間。然后我們分析了電路的輸出阻抗，與此同時，所有的晶體管一旦達到我們所要求的電流 時我們再看下結(jié)果我們就知道那個偏置電流源是我們要的最好的。2.2基本偏置電流源的設(shè)計與仿真如圖3所示，

5、我們采用的是一個基本的電流源電路，晶體管尺寸為 (W=1900nm,L=350nm)，輸出電路上的晶體管為(W=500nm,L=350nm)。圖3基本的偏置電路源電路我們在電路的直流分析的時候， 選取V2=T，從0V到1V變化，看輸出的電流。仿真電路圖如圖4,圖5所示。我們可以看到輸出電流為 35uA左右，與我們要圖4輸出OUT端電流圖Q39|-5 .OSLJA圖5電路從OUT端看的輸出電阻圖該電路最主要的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單而且容易實現(xiàn)電流控制的效果。但是該電 路輸出電流太大，而且穩(wěn)定性不是很好。2.3折疊狀偏置電流源的設(shè)計與仿真我們采用四個晶體管的折疊，各晶體管的尺寸如圖6所示。圖9減少型折

6、疊狀電流源電路圖6折疊狀的偏置電流源電路該結(jié)構(gòu)相比基本的電流源電路來說顯得有一點復雜。有仿真結(jié)果圖 7和圖8 所示，它也不利于用來提供大的電流，特別是在輸出端。它主要的優(yōu)勢在于它能 提供穩(wěn)定的電流而且所采用的晶體管尺寸也相對較小， 它的輸出電阻也比基本電 流源電路要大。但是這種電路的動態(tài)范圍卻減少了。 因此我們在考慮電路的時候 要綜合考慮。圖7 OUT端輸出電流圖圖8 OUT輸出阻抗圖2.4減小型的折疊式偏置電流電路該電路在前面的基礎(chǔ)上又增加了一組晶體管，各晶體管尺寸如圖9所示?！皽p小” 一詞說的是當達到一個穩(wěn)定的電流時， 所需要的電壓通常減少了一半。 這種 電路相對基本電流源電路雖然說更復雜

7、了， 但是這確是我們設(shè)計放大器電路最理 想的電路。如圖10和圖11所示，它能提供穩(wěn)定的電流，并且提供大的電流所需 的供給電壓卻非常小。ordJ B 0 IBPFTRSFF p0.0.254971419.975S7kV圖10 OUT端的穩(wěn)定電流蘭墾圖11 OUT端的輸出阻抗2.4威爾遜電流源偏置電路如圖12所示，該電路結(jié)構(gòu)與基本的偏置電流源電路相比多了兩個晶體管，不過有幾個晶體管的尺寸明顯加大了。 對于現(xiàn)在要求的小面積的芯片來說，這個偏置電路可能會失去一些優(yōu)勢。從圖13和圖14仿真結(jié)果可以看出，這個偏置電路 照常為輸出端口輸出0.6-1.1uA的電流，輸出阻抗也和基本偏置電路相當。圖12威爾遜電

8、流源偏置電路/M6/D圖13 OUT端輸出電流圖15改進后的威爾遜電流源偏置電路圖15改進后的威爾遜電流源偏置電路圖14 OUT端輸出阻抗2.5改進的威爾遜電流偏置電路15通過增加一個晶體管，電路的性能得到了很好的改善。具體晶體管尺寸如圖 所示，我們可以看到，輸出的電流加大了，輸出阻抗也和以上的電路相當。但是 這種電路明顯又增加了一個晶體管，所以我們選擇的時候要綜合考慮。圖16威爾遜電流源偏置電路 OUT端電流3?309| 9.9892kVu圖17 OUT端輸出阻抗圖3總結(jié)通過對上述的電路仿真分析，我們可以列出一個表 1來比較各電路的有關(guān)性 能。表中的N表示被鏡像電流鏡像的次數(shù)。表1各電路性能的比較與分析電流鏡電 路排序（由 好到差）所用晶體 管個數(shù)（包 括基準電 流源晶體管）電流的保 持性能輸出阻抗輸入阻抗電路的復雜度達到所要 求的 7uA 電流所需 的晶體管 尺寸減少型折 疊電路6+2N非常好很高低難小基本折疊電路3+2N很好很高低難很小基本的威爾遜電路2+2N好高低適中很大改進的威爾遜電路3+2N好高低適中很大基本的偏 置電路2+N差低低簡單小由表我們可以得出減少型折疊型偏置電路的各項性能為最優(yōu)，它能提供非常好的電流保持特性，和很高的輸出阻抗及很低的輸入阻抗。 在現(xiàn)代集成電路要求尺 寸越來越少的時候，我們選擇此電路為最妥。不過有時候可以根據(jù)需要，可以選 擇其他的電