[轉]如何設計電流鏡


電流鏡是模擬電路里的一個基本單元,可以用於復制電流,也可以用作給差分對做負載。作為一個模塊,一般設計考慮的參數包括電流的匹配,輸出阻抗,輸入阻抗,輸出電壓范圍,有時還包括噪聲。而可以調整的參數就包括電路的拓撲結構,管子的w和l。這些書上都講了很多,我也不多羅嗦了。
在實際設計中,一般也很少把這么小的模塊單獨拿出來提些指標出來。所以很多時候是自己根據電流鏡所處的環境心中有個明確的概念就可以了。比如一般為了傳送電流用的電流鏡,輸出阻抗多少算合適呢?應該很少有明確的答案。我個人理解,一般電流在產生時都多多少少有偏差,而這個偏差通常很大(因為與片內電阻有關)。所以輸出阻抗引入的偏差通常要遠小於前者就可以了。一般設計時,也很少會花大量的時間在這上面糾纏,因為有更重要的部分需要去優化。
在電流鏡中,cascode是常用的,要比其他什么wilson之類的常用的多,因為簡單而且設計方便。在設計cascode管的偏壓時,書上給了幾種方法,我常用的還是1/4的二極管接法做偏壓產生電路,如果不想浪費電流,可以用串電阻的方法。但是后者理論上不能保證對工藝相對不敏感,而且壓降也大了些。前一種方法,書上都討論的是電流鏡管和cascode管同樣尺寸,讓vds=vdsat,推導出偏壓管是1/4。可是如果剛畢業的學生這樣照貓畫虎,就嚴重錯了。因為cascode管通常不和電流鏡管同樣尺寸,而令vds=vdsat會使得輸出電阻下降很多。再者,這是大尺寸下的簡單公式,未必合適。所以書上說的只是給指明了一個設計方向,而不是讓設計者如此照貓畫虎。為了保證輸出電阻,也為了給實際留margin,通常vds會大於vdsat,保證不同corner或者當存在mismatch,或者存在其他沒想到的效應時(比如IR drop,比如版圖效應),也能在飽和區。另一個問題就是如果cascode管和下面電流鏡管子尺寸不同,有沒有好的電路可以保證相對工藝不敏感?我看到的有,就是把那個二極管連接的mos拆成兩個不同的管子,分開優化,原則上這樣可以匹配性更好些,好處應該是在仿corner時,不容易出問題。
在低電壓下,電流鏡也可以有新電路。我看到的一種是把輸出的也拆成兩個串聯,號稱self biased cascode。但對此我還有些沒想通,不知道這樣和直接加大L,從匹配和輸出電阻上看區別有多大。如果是長溝器件,從原理上講,這兩種方法是沒有任何區別的。畢竟這種self biased cascode,下面的管子原則上在線性區,那么輸出電阻的提高會被自身電阻的降低相抵消。除非專門考慮,把它放在飽和區,但那樣就涉及許多小尺寸管子的特性。
和電流鏡稍微有些關系的一個問題是,用作提供偏壓的輸出是否要加decouple 電容。這個問題很難回答。加電容好處是減小高頻抖動,但壞處是低頻恢復時間的增加。似乎razavi的書上也只是提出來討論,沒給答案。也許就是說沒有標准答案吧。我遇到的其他人似乎也沒有定量的方法去判斷。

(原文地址:http://www.eetop.cn/blog/html/90/757190-24434.html)


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