电子电路大全(PDF格式)-第58部分
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λ=0 时才能使I 0 为恒定值。为了使其恒流特性有所改善，可增大M2 的沟道长度L。L增大，
λ r
使 减小，输出阻抗 0 增大，恒流特性得到改善。
例：镜像电流源电路中，Iin＝100uA，每个晶体管W/L＝ 100um/1。6um。假设
unCox=92uA/V2 ，Vtn=0。8V，rds=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，求镜像电流源的rout和gm1 的值，
并推算输出电压变化 0。5V时Iout的变化情况。
解：因为M1 和M2 的W/L比相同，所以Iout的额定值等于Iin的额定值为 100uA。这样，
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我们得到
Rout=rds2=8000*1。6/0。1=128kΩ
gm1 的值由下式得出。
gm1＝＇2unCox（W/L）ID1＇1/2=1。07mA/V
得到rs1=1/gm1=935Ω。这个rs1 值远小于rds1，在这个例子中rds1 等于rds2。
输出电流的变化可以利用rout推算为
ΔIout=ΔV/rout=0。5/128 kΩ=3。9uA
换句话说，如果原来Iout测量为 101uA（由于不匹配和一个更大的VDS电压），输出电压
增加 0。5V将产生一个大约 105uA的新的输出电流。注意：这个估算并没有说明诸如rds实际
上随着输出电流改变这样的二级效应。
有三种因素会使电流镜与式（3…1）描述的理想情况不同。这些因素是：（1）沟道长度调
制。好的电流镜或电流放大器应当有相同的漏－源电压和高的输出电阻。（2）两个管子之
间的阈值偏差。对于适宜的硅栅CMOS工艺，相同且靠得很近得两只管子阈值电压的典型失
调值小于 10mV。（3）非理想的几何图形匹配。指两个器件的宽长比的误差，由于存在掩膜、
光刻、刻蚀以及外扩散的差异，即使是两个管子并排放在一起也会有所不同。
3。2 高输出阻抗的恒流源电路
为了抑制沟道长度调制作用的影响，得到更好的电路性能，就要对上述基本电流镜进
行改进。如图 3…2 所示，它与基本电流镜相比增加了M3、M4。由于增加了这两个MOS管，使
V
该电流镜具有很好的恒流特性以及高的输出阻抗。由图 3…2 可知M3 和M4 使Ml的 DS 1 和M2
V I I
的 DS 2 相同或近似相同。其中 0 和 R 的关系可写为：
I O S 2 （1 ＋ λV D S 2 ） S 2
= =
I R S 1 （1 ＋ λV D S 1 ） S 1 （3…3）
S为各器件的宽长比，上式表明，输出电流I 0 与λ无关，即输出电流不跟随输出电压
r
的变化而变化，从而具有很好的恒流特性和较高的输出阻抗。电路的输出阻抗 0 可由交流
小信号等效电路图 3…3 所得：
图 3…2 标准共源共栅的恒流源电路
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V =i ＇r ＋r ＋r r （ g ＋ g ）＇
0 0 ds 2 ds 4 ds 2 ds 4 m 4 mb 4
=i ＇r ＋r ＋r r g （1＋η ）＇
0 ds 2 ds 4 ds 2 ds 4 m 4 4
（3…4）
其中：
g m b 4
η =
4
g m 4 （3…5）
因此输出阻抗r 可以表示为：
0
r0 = rd s 2 rd s 4 g m 4 （3…6）
图 3…3 交流小信号等效电路
上式可以表明，该恒流源的输出阻抗比图3…1所示的恒流源电路的输出阻抗
大r g 倍。
ds 4 m4
例：共源共基镜像电流源电路中，Iin＝100uA，每个晶体管W/L＝100um/1。6um。假设
unCox=92uA/V2 ，
Vtn=0。8V，rds=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，求镜像电流源的rout（体效应约为 0。2gm）。
还求使得输出晶体管保持在工作区的Vout的最小输出电压。
解：通常，Iout=Iin，这样我们可以求出这个镜像电流源的小信号参数为
gm4＝＇2unCox（W/L）Iout＇1/2=1。07mA/V
还有
rds2=rds4=8000*1。6/0。1=128kΩ
输出阻抗为
Rout=128k＇128（1。07＋0。2*1。07）＇=21MΩ
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要求出最小输出电压，我们首先需要确定Veff：
1/2
Veff=＇2Iout/（ unCoxW/L）＇ =0。19V
这样，最小输出电压求得为 2×0。19＋0。8=1。18V
3。3 HSPICE 仿真分析基本恒流源电路
（1）仿真电路
（2）网表
EXP 3。1 Simple MOS Current Mirror
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
M1 1 1 0 0 nch l = 1u w = 5u
M2 2 1 0 0 nch l = 1u w = 5u
I1 0 1 DC 10u
V1 3 0 DC 0
V_I2 3 2 DC 0
图 3…4 基本恒流源电路
。MODEL nch NMOS VTO=0。7 KP=110U LAMBDA=0。04 GAMMA = 0。4 PHI = 0。7
*。dc V1 0 5 。1 I1 10u 80u 10u
。dc V1 0 5 。1
。END
（3）仿真结果
图 3…5 基本恒流源电路仿真输出结果
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3。4 HSPICE 仿真分析高输出阻抗恒流源电路（MOS 管参数同上）
图 3…6 高输出阻抗的恒流源电路
图 3…7 高输出阻抗恒流源电路仿真输出结果
通过与前面的仿真结果比较，可看出共源共栅电流沉的输出电阻较大（斜率的倒数为
输出电阻）。另外，体效应会使M3 管和M4 管的阈值电压变大，导致电流值低于我们的期望
值。
3。5 基本恒流源电路的敏感度分析
跨过电流沉的电压（即M2 管的漏端电压）对输出电流有很大影响，敏感度很高。通过
敏感度分析，可知道哪个元件对输出变量有最大影响。通过计算机仿真得到输出变量对元
件参数的敏感度，这在大电路设计中几乎是必须要做的一步。
。sense I（vdrain2）
。dc vdrain …2。5 2。5 0。01
3。6 基本恒流源电路的温度特性
（ ） （ （ ）（ ）） （ ） （ ）
I T =I （T ） 1＋TC I T …T =I T ＇1…0。0015 T …27 ＇
O O 0 0 0 0
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图 3…8 基本恒流源电路温度特性仿真输出结果
3。7 其它类型的电流源/沉
图 3…9 恒流源电路仿真输出结果
图 3…10 恒流源电路仿真输出结果
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第 4 章 共源放大电路分析与设计
共源放大器是CMOS电路中的基本增益级。它是典型的反相放大器，负载可以是有源负
载或者电流源。共源放大器多种实现方式如图 4…1 所示有源负载放大器，电流源负载放大
器和推挽放大器，在其他条件相同的情况下，图中电路的小信号增益由左至右依次增大。
（a） （b） （c）
图 4…1（a）有源负载共源放大器（b）电流源负载共源放大器（c）推挽共源放大器
4。1 有源负载共源放大器
在许多应用场合需要用到可高度预见其小信号和大信号特性的底增益反相器。满足此
要求的一种结构如图 4…1（a）所示，这就是PMOS有源负载共源放大器。
图 4…2 图 4…1（a）的小信号图
我们利用它的小信号图 4…2，可以计算出它的增益。对输出端的电流求和可得：
gm1vin＋gds1vout＋gm2vout＋gds2vout=0 （4…1）
求解电压增益vout/vin，得到：
1
v …g 1 g 1 K ' W L2 2
out = m m =N 1
vin g ＋g ＋g g ' W
K L1
ds 1 ds 2 m 2 m 2 P 2
（4…2）
小信号的输出电阻从图 4…2 也可以得出
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1 1
Rout =
g ds 1 ＋g ds 2 ＋g m 2 g m 2 （4…3）
有源电阻负载共源放大器的输出电阻抗较低，因为按二极管方式连接的M2 管具有低阻
抗的缘故。在要求反相增益级具有大带宽时，低输出阻抗是非常有用的。
4。2 电流源负载共源放大器
通常，共源放大器需要得到比有源负载共源放大器更大的增益。第二种有较高增益的
共源放大器结构是图 4…1（b）所示的电流源负载共源放大器。这种结构采用电流源负载代
替PMOS二极管连接的负载。电流源是共栅结构，采用栅极加直流电压偏置VGG2 的P沟道管
实现。
小信号性能可由图 4…2 模型中用gm2vout＝0（考虑M2 的栅极交流接地）来求得。小信
号电压增益为：
