电流源的一部分:电流镜

原创 加油射频工程师 2022-07-14 13:29

电流源可以由MOS管产生。


电流源,可以用来代替放大器中的偏置电阻,使得放大器的增益不受制于偏置电阻的影响。产生这个电流,需要给栅极施加一个电压。


那怎么产生这个偏置电压,而且保证电流源输出值的稳定性呢?


假设这个电压由下图的偏置电路产生,且假设管子工作在饱和区,同时不考虑沟道调制效应,那么:


由于电子和空穴的迁移率,以及开启电压Vth都和温度相关,所以即使保证电源电压VDD不变,该电流源的电流输出大小也和温度相关。


更不用说,有时候系统的电源电压也可能会变。


在进行芯片设计的时候,希望这个电流源是一个不受温度和电源电压变化的值。


这个可以通过带隙电路产生。带隙电路虽然能产生优质的电流源,但是比较复杂,管子数较多,而整个芯片系统中又需要很多个电流源。如果每个电流源都由带隙电路产生,不是不可能,但是很浪费。


所以电流镜就产生了。

电流镜是实现这样一个操作,你给我一个优质电流源,我给他输出一个和输入电流源一样优质的电流源,而且电流值还可以变。


电流镜的一个关键部件就是diode-connected MOS。

这个连接有一个特性,就是不需要考虑完VG,还需要考虑VD,而是只要给一个电源电压。因为VGS-VDS=0

所以


可以看到,得到的镜像电流Icopy与Iref的值的关系,只与管子的尺寸相关,和其他因素都没有关系。

而管子的尺寸,不会受供电电压的影响,也不会受温度的影响,所以很稳定。

因此,得到的镜像电流和参考电流一样好。


当芯片系统中需要很多个电流源时,就用带隙电路产生一个基准源,然后用电流镜去COPY这个源。需要多少个电流源,就用多少个电流镜去复制。


比如下面的共源极放大器,需要电流源。而这个电流源是从VDD留到节点,所以需要用PMOS实现,对应的电流镜也需要用PMOS电流镜。


那如果,一个芯片中既有PMOS电流镜,又有NMOS电流镜,那应该怎么统一在一起呢?

毕竟,PMOS电流镜需要的电流基准源是由VDD-->node,而NMOS电流镜需要的电流基准源是从node-->GND。


其实也很简单,就用NMOS电流镜来产生PMOS电流镜需要用的基准源就可以了。如上图。


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