1、SENANJINGog IC DesignChapter 2Basing CircuitswujinSEContentNANJINGCurrent MirrorCurrent Source, Current Sink;Biasing: Constant current generation;-linear/Nonlinear CM Coupling; Current Definition;Current stability.Biasing Improvement- CascodewujinSECurrent Mirror:Linear/NonlinearNANJING采用恒流源, 但輸出電流不

2、匹配(VDS不同) 1 2VDS 2IDS 2 (W / L)2線性傳輸性質(zhì)(W / L)11 1VGS1IINVGS相同;VTH相同.匹配控制絕對能力: ro;相對能力: VDS匹配.大信號(靜態(tài))/小信號均為線性, 形成有差異;Test: M2下串接一電阻RS如何?非線性!wujinSEOutputimprovedNANJING1VLr A0DeviceLarger L, Small IDS;dsIIDSDSCircuit: CascodeV I R Vygs g 2Vrdsy(gx V I) V/ 2ormyVRxr2oR2mVyRVxRr rgrRo 2m2o2V/RywujinSES

3、imple Cascode Current MirrorNANJINGr ro1 ro 2gm 2ro 2ro1R = ro1Single Transistorr ro 2r ro1ro1=0 ro2=0Cascode:output r enhancement M1/M2 required Saturated;Also matched.wujinSECascode高輸出阻抗NANJING輸出阻抗倍增效應(yīng)提高輸出阻抗. 靜態(tài):改善電流穩(wěn)定性; 動(dòng)態(tài):提高交流增益wujinSE-HighSwing Cascode Current Mirror -1NANJING1. 獨(dú)立偏置M1=M2; M3=M

4、4.34=;5min=2Same in driving currentW4L4(W/LM)5 14()2LM)45 ,(W/min考慮襯偏和余量W (wujinSEHigh-Swing Cascode Current Mirror -2NANJING1. 自偏置M1=M2; M3=M4.34=;證明:VRmin= ; VRmax=VTH? V2 V1 VR VTH VRVDS 3VDS 4Linear CS,RminRRmaxwujinSEFunction of Nonlinear CSNANJINGPeaking Current Source線性電流鏡電流線性傳輸功能;無支路電流定義功能.非

5、線性電流鏡由VBE或VGS形成;有支路電流定義部分功能. VR VBEI1RR11wujinSECurrent Definition by Nonlinear CSNANJINGGVS 2 1 VRVPeaking Current SourceIGS121RRR1112IQ12I1()R1k1k2I1k/IfI;Qk2N121k122111)(R1I( k1)N1Rkk11112)VCC無關(guān)2 R11Exe: 其它類型Nonlinear-CS, 其它工作模式.電流定義需要傳輸.wujinSENonlinear to LinearNANJING全部再串接電阻?且依靠Q1、Q3、Q4尺寸關(guān)系控制

6、電阻上電壓相同實(shí)現(xiàn) Nonlinear Linear電阻不再定義電流大小,而是定義電流比例關(guān)系.CM中輸入恒流源產(chǎn)生?Biasing CircuitwujinSEBiasing RequiredNANJING電流鏡需要電流驅(qū)動(dòng), 無法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流;產(chǎn)生電流需要偏置電路: 電流鏡的相互作用.偏置: 提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流穩(wěn)定：與電源電壓VCC無關(guān); 增加溫度無關(guān)性則變?yōu)榛鶞?zhǔn)！若再與工藝無關(guān), Good reference!PVT Unrelated!wujinSESimpiasingNANJING分壓：線性電阻+線性電阻,線性輸出, 不恒定;改進(jìn)：線性電阻+非線性電阻；非線性電阻+非線性

7、電阻非線性：區(qū)別交流和直流, 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)wujinSE電阻分壓原理NANJINGR11V VV靜態(tài)點(diǎn):直流電阻分壓:oCCCC1 RRR/ R1221Vo穩(wěn)定要求R2/R1隨VCC增加而增加(R2增加/R1減小)R2采用恒流源導(dǎo)通電阻合適;r11交流擾動(dòng): 交流電阻分壓. V VVoCCCCr r1 r/r1221Vo=0要求r2/r1, r2=恒流源; r1=0 恒壓源;結(jié)論: 偏置電路的任一支路要求恒流源與恒壓源的配合;與低阻的配合.或wujinSESingranch Biasing: R + MOS DiodeNANJING電壓的傳輸: 穩(wěn)定電壓的傳遞電流的傳輸: 電流的線性傳遞. “因

8、”是否恒, “果”是否配仍然與VCC弱相關(guān)部分符合要求交直流難兼顧問題: R非高阻恒流源VV b1k( Vb22CCTVH)R1112VCCVVV)2(bTHkRTHkRkR111VTH恒流源, 則電流又無定義如改成wujinSEWidlar NL Current SourceNANJING獨(dú)立定義, 線性關(guān)系無保證非線性:電流定義GVS 2 VGSBVE 2 VBEVV微電流BE1GS1IIQQRRRR2222需引入線性電流源進(jìn)行電流傳遞, 保留R2的電流定義;線性電流源與非線性電流源耦合后形成穩(wěn)定偏置.wujinSESelf-Biasing BJT: VBE/RNANJING支路電流, 非

9、線性源定義電流采用線性電流源傳遞MOS版本襯偏影響單調(diào)型曲線相交原理;阻抗配合原理.非線性電流源: 電流相等, Se不再相等，VBE小的, Se大wujinVBESEV/R的電流偏置BENANJING電阻位置?雙路平衡式電流定義電流鏡wujinSESelf-Biasing VGS/RNANJINGMOS單調(diào)型MOS峰值型VVBEExe: 推導(dǎo)強(qiáng)反型與弱反型下的輸出電流.wujinSECMOS中的VBE/R偏置NANJINGV VR雖然M3=M4, 非線性仍需保留提高輸出電流RI=VBE/R電阻位置?電流定義wujinSE電流自偏置的基本原則NANJING上下看: 線性與非線性電流鏡的互耦, 或

10、互偏置線性與非線性的唯一交點(diǎn), 穩(wěn)定/靜態(tài)點(diǎn),是否有Sic垂直/支路看:+低阻的耦合, MOS恒流的原理兩支路高、低阻上下位置交叉, 是否恒定wujinSE自偏置電流的啟動(dòng)過程N(yùn)ANJING自偏置電流源: 閉環(huán), 反饋;線性電流鏡: 開環(huán)動(dòng)態(tài)過程: 初始正反饋, 穩(wěn)態(tài)(結(jié)束)負(fù)反饋反饋的性質(zhì)由支路電阻位置和電流鏡W/L關(guān)系決定電阻: 對角線wujinSEBJT VBE & MOS VTHBiasingNANJING VGS1 VGS 22(VTH ) VGSI(MOS ) VCC VCC大電流偏置如何實(shí)現(xiàn)?IINoRRR211同樣需要將R1改為恒流源并線性傳遞到Q2/M2中wujinSE電流傳

11、遞原則NANJING同樣需要將R1改為恒流源并線性傳遞到Q2/M2中 R(1 gm4ro 4 )gm3rds3 (2gm3 R)rds3ro3_ DownwujinSESelf-Biasing BJT VBE ReferenceNANJING完整的BJT VBE偏置電路wujinSESelf-Biasing with VCurrent SourceTHNANJING完整的MOS VTH偏置電路(含啟動(dòng))wujinSESelf-Biasing VTH Referenced Voltage SourceNANJINGI-V轉(zhuǎn)換關(guān)鍵: 電流定義, 電流傳遞wujinSE電平移位NANJING降低M3

12、管VDS電壓關(guān)鍵: 電流定義, 電流傳遞如果將R=1/gm, 即用MOS Diode代替如何?wujinSECascode Self-Biasing CircuitsNANJINGwujinSEEX: Sooch Cascode Current MirrorNANJING11 W2 k2Ik ( )V( BVTH)IN4 L1 W1V2 V()(BA V3 L2WLV2THVVVovVBAovWL VTHW3LV VVVov 3ov VVVoVvoVv142 2VTH5W3L2VV3THov 0VDS1 2VVDSAT 2VTH2ov3ov VVo(min)VDD (min)V22wujinSEEX: Wide Swing Cascode BiasingNANJINGwujinSESummaryNANJINGRelation betn CS & Biasing;Self biasin