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电流镜 ( Current Mirror)

电流镜 ( Current Mirror)

 

双晶体管电路

所有模拟电路都是通过使用数量非常有限的基本结构模块来构建的, 因此,对这些简单模块的透彻了解对于深入了解更复杂的电路原理至关重要, 这就是为什么将它们分别考虑并进行详细分析的原因。 我们已经对单晶体管电路有了全面的了解, 接下来我们将专注于电流镜和差分对的探讨, 这些构成了所有模拟设计的基石。

基本的双晶体管配置, 第一个是电流镜,其后是差分对。 大部分模拟电路都可以通过这两个基本电路而构成。

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图 1    双晶体管电路- 电流镜和差分对

 

1,  电流镜的的概念

电流镜实际上是二极管连接的晶体管和单晶体管放大器组合, 第一个晶体管将输入电流转换为电压,而第二个晶体管将电压转换为电流。

电流镜的电流比非常准确,这是因为二极管连接的场效应管的非线性被放大的场效应管的非线性所补偿。 如果它们的宽长W / L之比为B,则电流比率也为B。实际上,这些场效应管具有相同的VGS,因此具有相同的VGS-VT。 该比率是电流增益。

电流镜的输入由二极管连接的晶体管组成。

在双极晶体管中将集电极连接到基极,可以得到一个真正的基极-发射极二极管。 在场效应管中,没有栅源二极管, 但是,将漏极连接到栅极为我们提供了类似的结构。 实际上,电流-电压特性是通过移动曲线,分离线性区域和饱和区域来获得; 饱和区域在VT 向右的VDS = VGS-VT 处。 因此,我们可以在饱和状态下使用场效应管的电流-电压特性。 但是,生成的曲线是完全非线性的,它有点像二极管的特性。 我们将使用这个简单的电路将电流转换为电压。

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图 2    二极管连接的晶体管

 

在二极管连接的场效应管上增加一个单晶体管放大器,会产生一个电流镜。 放大器补偿二极管的非线性,以提供理想的线性电流比B。 该电路被用于偏置和宽带电流放大。

 

2,电流镜的非理想效应及改进

现实中,电流比不是那么精确。

实际上,两个晶体管都可能无法在相同的vDS 电压下工作。 vDS 的差异将导致电流差异,因为iDS-vDS 特性不是那么平坦。 这种差异很容易计算, 它与早期电压有关,因此与沟道长度L2 有关。 沟道长度越大,曲线越平坦,电流差将越小。 很难使vDS 电压差为零, 这也就是我们要采用一些电路设计技巧的原因。

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图 3    电流镜

 

现在让我们集中于如何使电流差为零,为此,我们必须添加两个晶体管 M3和M4,他们的主要目的是使电流镜器件M1和M2上的电压vDS 尽可能相等。我们有两种实现方式,下图左面一种由一个分压器组成,分压器由两个二极管连接的晶体管M1和M3连接到共源共栅放大器 M2和M4上。晶体管 M4和M2 具有与 M2和M1 相同的W / L比,即B。由于M1和M2具有相同的VGS,所以晶体管M3和M4 也必然具有相同的VGS。 流过 M3和M4 的电流B与其W / L比率相同,结果电压vDS1和vDS2也必然相同,因此电流比将非常准确。

类似的推理对于右边的电流镜也是有效的,但是有一个主要区别:右边的电路是一个具有环路增益 T的反馈放大器,由于该环路中的所有时间常数都具有相同的数量级,因此它们创建了一个具有多个极点的系统,结果,在电流传递特性中可能出现峰值。

两个电流镜的一个主要缺点是它们的最小输出电压(顺从电压compliance voltage)相当高,因此,它们不能在低压应用中使用。

 

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图 4    改进的电流镜

 

3, 低压电流镜

对于低电源电压,下图的电流镜是理想的选择! 这实际上是传统的双晶体管电流镜,其中添加了两个共源共栅晶体管M3和M4。 我们发现与以前的两个电流镜具有相同的优势:

a, 电压vDS1 和 vDS2 相等,因此电流比准确

b, 对于任何共源共栅配置,输出电阻都非常高

现在,我们具有很大的优势,因为我们可以在设置偏置电压时,仅分配0.2伏加在 M2和M4上,就可以使它们都保持饱和! 对于0.7 V的VT,VGS约 为0.9V,因此VB必须约为1.1V。 结果顺从电压VOUTmin 现在从1.1 V降低到了0.4 V,这是一个很大的进步。

这同时也是一个缺点,我们现在需要一个外部偏置电压VB

 

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图 5    低压电流镜

 

下图给出了前面描述的低压电流镜的两个例子。

他们两个都使用共源共栅。 它们都提供从晶体管M3 的漏极到电流镜器件M1和M2 的栅极的反馈; 它们两者都提供了较大的输出阻抗,并允许较大的输出电压摆幅 ( voltage swing )。 左侧给出了如何提供共源共栅器件的偏置电压VB 的示例。 显然,晶体管M5必须具有小得多的W / L,以便其VGS 比共源共栅晶体管M3和M4 的VGS 大约0.2V。 两个电流镜器件M1和M2都需要约0.2 V作为VDS。 该参数的适当值约为5。

右边的电流镜只是先前给出的低压电流镜,其中将增益增强 ( gain-boosting ) 应用于共源共栅晶体管, 它允许与左侧电路相同的输出摆幅,但输出阻抗会更高。

 

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图 6    低压电流镜的两个例子

 

4,使用运算放大器的电流镜

如果0.4 V的顺从电压仍然认为太高,则可以使用一个单输出晶体管, 然后使用运算放大器在输入晶体管 M1周围提供反馈, 这样,其漏极电压仅为0.2 V,远低于传统电流镜中的0.9 V(VT为0.7 V)。 输出阻抗不是很高, 它只是输出晶体管M2 的输出电阻。 运算放大器有更好的用途,如下图所示:

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图 6    低压二极管连接的场效应管

 

下图中展示了两个电流镜,它们同时用于运算放大器的两个目的,即尽可能降低顺从电压 并尽可能增加输出电阻。 两者均来自前述的四晶体管的电流源。 不同之处在于,运算放大器要么添加到左侧共源共栅,要么添加到右侧共源共栅。 在右边,很容易看到将增益提升应用于右边的共源共栅,从而通过该运算放大器的增益增加了输出电阻。 顺从电压可以低至几十mV 并不是很明显。 实际上,由于运算放大器,反馈环路的增益是如此之高,以至于晶体管M1和M2可以进入线性区域。 此外,共源共栅晶体管M4 也可以进入线性区域。 输出电阻将减小,但运算放大器可提供足够的增益来补偿输出电阻的这种损失。

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图 7    最低压的电流镜

 

5,双极晶体管构成的电流镜

所有场效应管电流源都可以用双极晶体管来复制。 从历史上看,双极型电路首先被开发,而场效应管电路是双极型电路的复制品。

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图 8    双极晶体管构成的电流镜

 

上图中,第一个结构是非常传统的电流镜,第二个使用串联电阻将电流比设置为电阻比,而不是晶体管的比, 使电流比更容易准确设置。 在场效应管电流镜中,无需增加串联电阻,因为增加VGS-VT 值具有相同的效果。 此外,使用串联电阻会增加输出电阻。第三个电路不是电流镜,而是电流基准。 实际上,至少如果我们在使用顶部另一个电流镜来确保 iout =iin 的情况下,省去其中一个电阻,并使M2的系数B 大于M1,即可提供与输入电流无关的输出电流。 这些在后面的电压基准 ( Bandgap) 电路中会用到;

 

6, 改进型双极晶体管电流镜

双极晶体管会遇到另一个问题:它们承载基极电流 iB, 这些基极电流都从输入电流源中减去, 因此,输出电流和输入电流之间的误差约为2 /β。 我们假设电阻R 足够大。 添加另一个晶体管M3可以减少另一个β 的误差。 即使对于较小的 β 值,也可以减小此误差。 这样,该电阻的作用就更加清楚了。 它增加了晶体管M3 中的电流。 这将在一定程度上增加其β。 实际上,在某些早期的双极技术中,对于较小的集电极电流β会迅速下降。 但是,在BiCMOS 技术中,处理要干净得多。 β 在低电流时几乎不会下降,因此可以省去该电阻。

在BiCMOS技术中,晶体管M3可以使用场效应管。 它的栅极电流为零,因此电流误差也为零。 但是,我们必须小心M1,M3反馈回路。 如果我们用较小的场效应管代替,使电容CBE3减小太多,我们可能会发现电流传递函数出现峰值,这是因为极点之间的距离太近了, 以CBE3作为变量的电流增益的零极点位置图是研究此现象的最佳方法。

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图 9    改进型双极晶体管电流镜

 

可以使用与以前相同的技术来使电流差为零。添加了两个晶体管M3和M4,其首要目的是使跨过电流镜器件M1和M2 两端的电压vCE 尽可能相等。我们又有两个选择:

下图中左边的是一个无源电路,因为它由一个分压器组成,该分压器利用两个二极管连接的晶体管M1和M3 连接到共射共基放大器 M2和M4上。 晶体管M4和M2 具有与M2和M1 相同的W / L比,即B。晶体管M3和M4一定具有相同的VBE,因为它们的电流具有相同的比B。结果,电压vTCE1和vTCE2也一定相同。因此,电流比将非常准确。

右侧的电流镜也是如此,但是它是一个有源电路。它是具有环路增益T 的反馈放大器,会出现多个极点,导致电流传输特性达到峰值。

两个电流镜的一个主要缺点同样是它们的最小输出电压(顺从电压)很高,因此,它们不能在低压应用中使用。

 

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图 10    改进型双极晶体管电流镜2

 

7,电流镜的高频性能

现在我们要仔细探讨一下电流镜的高频性能。

下图明确显示了最重要的电容, 晶体管M2 的CGS 显然比晶体管M1 的CGS 大B倍, 这就是内部节点总电容为CG 的原因。 同样,我们假设CDS1的大小与CGS非常相似, 结果,具有电流增益B的该电流放大器的带宽成为fT 的一小部分。

如果我们设计两个具有较大VGS-VT 和最小可能沟道长度L 的场效应管,那么可以预期会得到非常高的带宽。

 

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图 11    电流镜的高频性能

 

8,米勒效应

这样的电流镜或放大器也可以通过米勒效应引起电容倍增, 就像导致电容倍增的电压放大器一样。

米勒电容为CM,并从电压输出端连接,通过负载电阻和中间点实现。 电流增益再次为B,输入电阻再次为1 / gm1; 它用作放大晶体管的源极电阻RS

为了计算电容倍增,我们简化了电路,如下所示。

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图 12    米勒效应

 

现在可以很容易地计算出以f–3dB 表示的带宽。

它清楚地表明,电容CM 确实乘以电压增益 Av2。 后者增益也由电流增益因子B 确定。

电压米勒效应也为零。 但是,该零出现在非常高的频率下,通常为微不足道, 这种现象称为当电流米勒效应。 被用于在芯片上实现大电容, 众所周知的应用是运算放大器的补偿。

 

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图 13    电流米勒效应等效电路

 

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