2.2. Токовые зеркала

2.2.1. Простейшее токовое зеркало

Токовое зеркало - генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз.

Простое токовое зеркало содержит два одинаковых транзистора, входной NM1 и выходной NM0, соединенных затворами.

Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов.

Основными параметрами токового зеркала являются выходное сопротивление Rout и порог переключения в режим насыщения Vsat.

Рис.2.2.1.1. Простейшее токовое зеркало

Для нахождения максимального диапазона работы составим при помощи калькулятора целевую функцию, определяющую искомое стоковое напряжение питания. На языке SKILL, используемом программным комплексом Cadence, это выражение выглядит следующим образом:

(1.2 - cross(IS("/M1/D") (value(IS("/M1/D") 1.2) * 0.9) 1 "either" nil nil))

1.2 — напряжение питания,

cross(IS("/M1/D") (value(IS("/M1/D") 1.2) * 0.9) 1 "either" nil nil) — напряжение, при котором ток достигает 0.9 от своего максимального значения, то есть напряжение Vsat.

Рисунок 2.2.1.2. Результат проведения параметрического анализа для изменения параметра W

Из графика видно, что при ширине транзистора меньшей, чем 10мкМ, величина тока растет быстрее, чем падает выходное сопротивление схемы (при увеличении W выходное сопротивление уменьшается, а при увеличении L — увеличивается). При ширине транзистора большей, чем 10мкМ, сопротивление уменьшается быстрее, а ток меняет свое значение не так существенно, что приводит к уменьшению произведения I*R, при дальнейшем увеличении W.

Рисунок 2.2.1.3. Результат проведения параметрического анализа для изменения параметра L

Из полученного графика видно, что имеется оптимальная точка для значения параметра L, где достигается максимальное значение допустимого выходного напряжения.

Величину выходного сопротивления также можно определить при помощи задания целевой функции 1/deriv(IDC("/M1/D")) в калькуляторе.

(deriv – производная, а так же тангенс угла наклона графика тока через сток транзистора M1 (IDC(“/M1/D”)) в режиме насыщения.)

Рисунок 2.2.1.4. Результат проведения DC-анализа. Зависимость выходного сопротивления от параметра W

При увеличении W выходное сопротивление уменьшается незначительно, а при W=10мкМ, диапазон напряжения оптимальный, поэтому для дальнейшего анализа будем выбирать W=10мкМ.

Рисунок 2.2.1.5. Результат проведения DC-анализа. Зависимость выходного сопротивления от параметра L

Как видно из графика, зависимость выходного сопротивления от L линейная. При увеличении длины увеличивается выходное сопротивление, но уменьшается диапазон напряжения. Поэтому длину транзистора необходимо выбирать в каждом конкретном случае.

Максимально широкий диапазон работы токового зеркала необходим, так как оно используется в качестве линейного источника тока, чем больше диапазон линейности источника, тем меньше вероятность появления дополнительных гармоник.

В тех случаях, когда выходная цепь токового зеркала является нагрузкой усилительного каскада, ее выходное сопротивление определяет величину коэффициента усиления. В ряде случаев требуется выходное сопротивление токового зеркала намного больше сопротивления отдельного МОП транзистора.