Menu Close

实操4 – 双晶体管电路

双晶体管组成的电路

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。

%title插图%num

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。

IREF=20uA, Vdd=1.2v

晶体管参数:L1=130nm, W1=280nm; L2=130nm, W2=280nm

直流静态工作点和输出电流 IOUT 如下图标注:

%title插图%num

图2    电流镜静态工作点和输出电流

 

从图2 可以看到,输出电流相对参考电流有一定的误差,这是由于输出电流和参考电流之比等于左侧晶体管宽长比和右侧晶体管宽长比的比值,是有一定前提条件的,就是忽略了晶体管短沟道效应和体效应,但在小尺寸下,忽略这些效应会带来很大的误差。

下面保持左右侧晶体管宽长比不变,增加晶体管尺寸:

晶体管参数:L1=390nm, W1=560nm; L2=390nm, W2=560nm

直流静态工作点和输出电流 IOUT 如下图标注:

晶体管的宽度和长度都增加了三倍,短沟道效应和体效应减少,IOUT 接近于 IREF

%title插图%num

图3    电流镜静态工作点和输出电流

 

下面保持左右侧晶体管宽长比不变,继续增加晶体管尺寸:

晶体管参数:L1=1300nm, W1=2800nm; L2=1300nm, W2=2800nm

直流静态工作点和输出电流 IOUT 如下图标注:

%title插图%num

图4    电流镜静态工作点和输出电流

 

晶体管的宽度和长度都增加了十倍,短沟道效应和体效应减少,IOUT 更加接近于 IREF

晶体管参数:L1=3900nm, W1=5600nm; L2=3900nm, W2=5600nm

直流静态工作点和输出电流 IOUT 如下图标注:

%title插图%num

图5    电流镜静态工作点和输出电流

 

晶体管的长度增加了三十倍,宽度增加了二十倍;短沟道效应和体效应持续减少,IOUT 更加接近于 IREF

 

2.  多路输出电流镜

晶体管参数:保持晶体管长度不变,NM3 宽度增大2倍,NM4 宽度增大3倍,相应的输出电流接近增大相同的倍数,因此我们在使用电流镜时主要应用该特点,只要提供一个电流参考, 就可以镜像出多路输出电流;

直流静态工作点和输出电流 IOUT 如下图标注:

%title插图%num

图6    多支路电流镜电路静态工作点和输出电流

 

晶体管长度保持不变;改变宽度为: w1=30; w4到该模型最大容许的100倍, 20x 100/30=66.7um;

如下图所示:

%title插图%num

图7    多支路电流镜电路静态工作点和输出电流

 

L1=3900n(30倍) , w1=30; w1/L1=130/280

NM2: /0.13/60; 60倍; 1200u/843u, 误差较大

NM3 20u/60; 倍; 20ux (60/30) x(3.9/20)=3.9×2=7.8/7.5; 误差较小

NM4 0.13/100; L4 最小, w4到最大, 100倍, 2m/1.4m, 误差较大; 20x 100/30=66.7;

%title插图%num

图8    多支路电流镜电路静态工作点和输出电流

 

IREF=10u,参考电流减少一半;

L1=3900n(30倍) , w1=30; w1/L1=130/280

NM2: /0.13/60; 60倍; 600u/339u, 误差较大

NM3 20u/60; 0.39倍; 20ux (60/30) x(3.9/20)=3.9×2=3.9/3.85; 误差较小

NM4 0.13/100; L 最小, w4到最大, 100倍, 1m/0.571m, 误差较大; 20x 100/30=66.7;

%title插图%num

图9    多支路电流镜电路静态工作点和输出电流

L1=3900n(30倍) , w1=30; w1/L1=130/280

NM2: /0.13/60; 60倍; 300u/135u, 误差较大

NM3 20u/60; 倍; 20ux (60/30) x(3.9/20)=3.9/2=1.95/1.96; 误差较小

NM4 0.13/100; L 最小, w4到最大, 100倍, 500/227.6u, 误差较大; 20x 100/30=66.7;

I=5u, 参考电流再减少一半;

%title插图%num

图10    多支路电流镜电路静态工作点和输出电流

由以上可以得出结论:

晶体管的宽度和长度都增加了,短沟道效应和体效应减少,IOUT 接近于 IREF

参考电流越小,镜像输出电流误差越小;宽长比与镜像晶体管的越宽长比接近,镜像输出电流误差越小;

 

3.   差分输入

差分对是两个并行的单晶体管放大器,以消减共模信号干扰。因此,它是所有完全差分电路的基础。在混合信号电路中,只能允许完全差分电路,以抑制接地噪声、电源线尖峰等。

差分对包括两个相同的晶体管,它们均作为单个晶体管放大器工作。

%title插图%num

图 10    电压差分放大器

 

IREF=20uA, Vdd=1.2v , Idc=40u; Vin1dc=300mv, Vin2dc=300mv;Vin1ac=20mv, Vin2ac=30mv,

晶体管参数:Ln=130nm, Wn=280nm; Lp=130nm, Wp=5600nm;

直流静态工作点如下图标注:

%title插图%num

图11    差分输入电路静态工作点

 

从图 中可以看到,该电路增益G=21.3,带宽 BW=45.4M。

%title插图%num

图12    差分输入电路增益和带宽

 

保持别的设置不变,将直流电流增加一倍,即:Idc=80u,

直流静态工作点如下图标注:

%title插图%num

图13    差分输入电路静态工作点

 

从图 中可以看到,该电路增益G=14.6,带宽 BW=58.6M。即增加参考电流,增益反而会减小, 但带宽会显著增加,也就是用增益换带宽;如果是减少参考电流,到了20u,电路增益G=21.3,带宽 BW=23.6M,如图 。所以在设计差分输入放大电路时,可以取长补短,通过改变参考电流的大小,牺牲一些增益去增加带宽,或相反的牺牲一些带宽去增加增益,给设计提供一些灵活度;但增加参考电流,该电路总功耗就会增加,这是我们不希望看到的。

%title插图%num

图1    差分输入电路增益和带宽 (I=80u)

 

%title插图%num

图1    差分输入电路增益和带宽 (I=20u)

 

Posted in CMOS模拟集成电路

发表评论

相关链接