Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
44
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.21 Mб
Скачать

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.3-14

SUMMARY OF CURRENT SINKS/SOURCES

Current Sink/Source

Simple

Cascode

High-Swing Cascode

Regulated Cascode

rOUT

 

Minimum Voltage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rd s

 

 

 

 

VON

 

≈ gm2rds2rds1

VT + 2 VON

≈ gm2rds2rds1

 

2 VON

≈ g

m

2r

ds

3

V

T

+ 2 V

ON

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen 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.4-3

Simple Current Mirror With λ 0

Circuit -

iI

+M1

vDS1

+

-

vGS

 

-

 

vSS

iO

 

)x100%

 

 

1

 

 

 

-

 

M2

+

DS1

DS2

+ λv + λv

 

vDS2

 

-

1

1

 

 

(

 

 

 

Ratio Error

 

10

λ = 0.02

8

λ = 0.015

6

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

λ = 0.01

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0V

1V

2V

3V

4V

5V

VDS1-VDS2

Ratio error (%) versus drain voltage difference -

Used to measure λ -

iO

1+ λ vD S 2 S1

i

 

= 1+ λ v

 

S

 

 

I

 

D S 1

 

 

 

 

2

If S1 = S2, vDS2 = 10V, vDS1 = 1V, and iO/iI = 1.501, then

iO

= 1.501 =

1+10λ

---> λ =

0.5

= 0.059

iI

 

1+ λ

 

8.5

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page V.4-4

Matching Accuracy of MOS Current Mirrors

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Neglect

λ effects

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2(vGS2-VT2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

O =

i

D2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β1(vGS1-VT1)2

 

 

 

 

M1

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

M2

 

 

 

 

 

 

iI

 

iD1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vGS1

 

 

 

 

 

vGS2

 

 

 

 

 

 

 

 

(vDS2 > vGS2 - VT1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Define:

 

Δβ = β2 - β1

 

 

 

 

 

and

 

 

 

β =

 

β1 + β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VT = VT2 - VT1

 

and

 

 

 

VT =

VT1+VT2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

= β

-

Δβ

 

, β

 

 

= β

 

Δβ

 

, V

 

 

= V

 

-

VT

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

2

+

2

 

 

 

T1

T

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and VT2 = VT +

VT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thus,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.4-5

Matching Accuracy - Continued

Illustration

- 1)100%

 

O

I

i i

RATIO ERROR (

 

7

6

5

4

3

2

1

II = 1uA

II = 5uA

II = 10uA

II = 50uA

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

 

 

 

VT(mV)

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.4-6

Layout Techniques to Remove Layout Error

Layout without correction technique -

iI

iO

 

 

iI

iO

 

 

 

M1

M2

 

M2

 

 

 

 

 

 

VSS

 

VSS

 

Layou

t with correction technique -

 

 

iI

i

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

iI

iO

 

 

 

 

M1

M2

M2

M2

M2

M2

 

M2

M2

M2

M2

M2

M1

a

b

c

d

e

a

b

c

d

e

 

 

 

 

 

 

 

VSS

VSS

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.4-7

Practical Current Mirrors/Amplifiers

Simple mirror

Cascode current mirror

Wilson current mirror

Simple Current Mirror -

60uA

40uA

iOUT

20uA

0

iI = 60uA

iI = 50uA

iI = 40uA

iI = 30uA

iI = 20uA

iI = 10uA

Current mirrors and amplifiers

.MODEL MNMOS1 NMOS VTO=0.75 KP=25U +LAMBDA=0.01 GAMMA=0.8 PHI=0.6

M1 1 1 0 0 MNMOS1 W=3U L=3U

M2 3 1 0 0 MNMOS1 W=3U L=3U IIN 0 1

VOUT 3 0

.DC VOUT 0 5 0.1 +IIN 0 60U 10U

.PRINT DC ID(M2)

.PROBE

.END

0

1

2

3

4

5

 

 

 

vOUT

 

 

iI

 

iO

3u

3u

+

3u

3u

M1

M2

vO

-

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page V.4-8

Cadcode Current Mirror

 

 

 

 

CIRCUIT

 

 

SPICE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mproved current mirror

 

 

 

 

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)

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Wilson Current Mirror

Circuit and Performance-

iI

iO

65.5uA

 

 

 

M3

 

 

 

 

 

45.0uA

 

M1

M2

iO

 

VSS

 

22.5uA

 

 

 

0

 

 

 

0

1

Wilson Current Source

M1 1 2 0 0 MNMOS W=15U L=3U

M2 2 2 0 0 MNMOS W=15U L=3U

M3 3 1 2 0 MNMOS W=15U L=3U R 1 0 100MEG

.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.75, KP=25U, +LAMBDA=0.01, GAMMA=0.8 PHI=0.6

IIN 0 1 VOUT 3 0

.DC VOUT 0 5 0.1 IIN 10U 80U 10U

.PRINT DC V(2) V(1) ID(M3)

.PROBE

.END

Page V.4-9

Iin = 80uA

70uA

60uA

50uA

40uA

30uA

20uA

10uA

2

3

4

5

vOUT

Principle of Operation:

Series negative feedback increase output resistance

1. Assume input current is constant and that there is high resistance to ground from the gate of M3 or drain of M1.

2.A positive increase in output current causes an increase in vGS2.

3.The increase in vGS2 causes an increase in vGS1.

4.The increase in vGS1 causes an increase in iD1.

5.If the input current is constant, then the current through the resistance to

ground from the gate of M3 or the drain of M1 decreases resulting in a decrease in vGS3.

6. A decrease in vGS3 causes a decrease in the output current opposing the assumed increase in step 2.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]