Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design
.pdfAllen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design |
Page V.4-1 |
V.4 - CURRENT MIRRORS/AMPLIFIERS
What Is A Current Mirror/Amplifier ?
Rin |
|
|
|
Rout |
iI |
|
CURRENT |
|
iO |
|
MIRROR/ |
|
||
|
|
|
|
|
+ |
|
AMPLIFIER |
|
+ |
vI |
|
|
vO |
|
|
|
|
||
|
|
|
||
- |
|
|
- |
|
Ideally, |
|
|
|
|
iO = AI iI |
|
|
|
|
Rin ≈ 0 |
Rout ≈ ∞ |
|
|
|
Graphical Characterization |
|
|
||
iI |
slope = 1/Rin |
iO |
II
slope = 1/Rout
IO
|
vI |
vO |
|
vMIN |
vMIN |
INPUT |
iO |
OUTPUT |
AI
1
iI
TRANSFER
Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design |
Page V.4-2 |
CURRENT MIRROR AND CURRENT AMPLIFIERS
Sources of Errors
|
|
i I |
|
iO |
CURRENT |
iO |
+ |
|
+ |
iI |
|
|||
MIRROR/ |
|
vDS1 M1 |
+ |
M2 vDS2 |
AMPLIFIER |
|
- |
vGS |
- |
|
|
- |
In general,
i |
O |
W |
L |
1 |
v |
GS |
- V |
2 |
1+λv |
µ |
o2 |
C |
|
||
|
|
2 |
|
|
|
T 2 |
1+λv |
DS2 |
|
ox2 |
|||||
i |
|
= W L |
|
v - V |
|
µ C |
|
||||||||
|
|
I |
|
1 |
|
2 |
|
GS |
|
|
|
|
o1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T 1 |
|
DS1 |
|
ox1 |
If the devices are matched,
iO |
W2L1 1+λvDS2 |
|||||
i |
|
= W L |
|
1+λv |
|
|
|
I |
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
DS1 |
If vDS1 = vDS2, |
|
|||
iO |
= |
W |
2 L 1 |
|
iI |
W1L2 |
|||
|
Therefore the sources of error are:
1). vDS1 ≠ vDS2
2). M1 and M2 not matched (Δβ and VT)
Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page V.4-4
Matching Accuracy of MOS Current Mirrors |
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Neglect |
λ effects |
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iD1 |
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|
|
iD2 |
|
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β2(vGS2-VT2)2 |
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|||||||
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i |
O = |
i |
D2 = |
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||||||||||
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|
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β1(vGS1-VT1)2 |
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|||||||||||
M1 |
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
M2 |
|
|
|
|
|
|
iI |
|
iD1 |
|
|
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|||||||||||||
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|||||||
vGS1 |
|
|
|
|
|
vGS2 |
|
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|
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|
(vDS2 > vGS2 - VT1) |
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||||||||||||||||||||
|
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|
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|||||||||||||||||||
|
- |
|
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|
|
- |
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Define: |
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Δβ = β2 - β1 |
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|
and |
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β = |
|
β1 + β2 |
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2 |
|
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|
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||||||||||||||||||||
|
|
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VT = VT2 - VT1 |
|
and |
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VT = |
VT1+VT2 |
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|
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||||||||||||||||||||||||
|
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|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||
|
β |
|
= β |
- |
Δβ |
|
, β |
|
|
= β |
|
Δβ |
|
, V |
|
|
= V |
|
- |
VT |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
1 |
2 |
|
2 |
+ |
2 |
|
|
|
T1 |
T |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
||||||||||
|
|
|
and VT2 = VT + |
VT |
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||
Thus, |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Δβ |
|
|
|
|
- v |
|
|
|
- |
VT 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Δβ |
1- |
|
VT |
||||||||||||
|
|
|
iO |
|
|
β+ |
2 |
v |
GS |
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + |
|
|
2(vGS-VT) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2β |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
iI |
= |
Δβ |
|
|
|
|
|
|
- v |
|
|
|
+ |
|
VT |
2 |
= |
|
|
|
β |
|
|
|
|
VT |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
β- |
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 - |
|
|
1+ |
2(vGS-VT) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
GS |
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2β |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
iO |
≈ |
|
|
Δβ |
|
|
|
Δβ |
|
|
|
|
|
|
VT |
|
|
|
|
|
|
VT |
|
2 |
|
|||||||||||||
|
|
|
iI |
1+ |
2β |
1+ |
|
|
1- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2β |
|
|
2(vGS-VT) |
|
2(vGS-VT) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
iO |
≈ 1 + |
|
Δβ |
|
|
|
|
|
2 VT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
iI |
|
β |
|
- (vGS - VT), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
Δβ |
≈ ± 5% , |
|
|
|
|
|
VT |
|
|
|
|
|
= ± 10% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
β |
|
|
(vGS - VT) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iO ≈ 1 ± 0.05 - (± 0.2) = 1 ± 0.15 iI
= 1 ± 0.25 if β and VT are correlated
Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page V.4-8
Cadcode Current Mirror
|
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|
CIRCUIT |
|
|
SPICE |
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|||||
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|
|
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|
|
|
mproved current mirror |
|
|
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|
iI |
|
|
|
|
|
|
iOUT |
60uA |
.MODEL MNMOS1 NMOS VTO=0.75 KP=25U |
= 60uA |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
M1 1 1 0 0 MNMOS1 W=3U L=3U |
|
iI |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+LAMBDA=0.01 GAMMA=0.8 PHI=0.6 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M2 2 1 0 0 MNMOS1 W=3U L=3U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M3 3 3 1 0 MNMOS1 W=3U L=3U |
|
iI |
= 50uA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M4 4 3 2 0 MNMOS1 W=3U L=3U |
|
|
|||
M3 |
|
|
|
|
|
|
M4 |
|
IIN 0 3 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
40uA |
VOUT 4 0 |
|
iI |
= 40uA |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.DC VOUT 0 5 0.1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ IIN 10U 60U 10U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iOUT |
.PRINT DC ID(M4) |
|
iI |
= 30uA |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.PROBE |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.END |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20uA |
|
|
|
iI |
= 20uA |
|
M1 |
|
|
|
|
|
|
M2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iI |
= 10uA |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
VSS |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vOUT |
|
|
Example of Small Signal Output Resistance Calculation - |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
ii |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
io |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
v3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
rds3 |
gm3v3 |
|
v4 |
rds4 |
gm4(v3+v1-v2) |
|
|
|
||||||||
- |
|
|
|
gmbs v2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
- |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
v1=v3 |
=0 |
|
io |
|
|
vo |
|
||||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v1 |
rds1 |
gm1v1 |
|
v2 |
rds2 |
gm2v1 |
|
|
|
|
||||||
- |
|
|
|
|
- |
|
|
|
- |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1). vo = v4 + v2 = rds4 [io - gm4(v3 + v1 - v2) + gmbs4v2] + rds2(io -gm2v1) 2). v2 = iords2
3). vo = io [rds4 + (gm4rds2)rds4 + (rds2gmbs4)rds4 + rds2]
vo
4). rout = io = rds4 + rds2 + rds2rds4(gm4 + gmbs4)