电流镜的仿真与分析文档格式.docx

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（1）

这里忽略了沟道长度调制效应。

M1的漏极电流由

通过电阻R提供。

电阻R在大多数情况下位于集成电路芯片之外。

因为栅极电流为0，所以

……………………………………………………

（2）

这里通过R的电流被认为是电流源的参考电流，记做

。

式

（1）和式

（2）可以用来确定R的值。

图1偏置电流源电路的简单模型

现在来看晶体管M2。

它的

与M1相等，因此如果假设它工作在饱和区，那么其漏极电流（既电流源的输出电流

为

……………………………………（3）

这里也忽略了沟道长度调制效应。

利用式

（1）和式（3）。

我们可以得到输出电流

与参考电流

的关系如下：

……………………………………………………（4）

这是一个简单而重要的关系：

M1和M2的特殊连接使得输出电流

参考电流

的关系可以用两个管子的宽长比来表示。

换句话说，

和

的关系完全由晶体管的几何尺寸决定。

为了保证M0工作在饱和区，M0漏端连接的电路必须使得漏极电压

满足一下关系：

≥

………………………………………………（5）

2几种偏置电流源电路在放大电路中的应用与比较

2.1基准电流源测试电路

我们设计一个测试电路（如图2所示）为了测试各种偏置电流源的特性，以此来选择性能最好符合我们需要的电路。

在整个测试电路中我们都是用相同的晶体管尺寸。

电路包含了一个基本的差分对（W=1900nm,L=350nm）,一个基本的二晶体管有效负载（W=800nm,L=350nm）和一个共源放大器（W=800nm,L=350nm）。

我们在整个测试过程都采用

=1.8V的电压供给。

图2基本的测试电路

晶体管的长度被设计了，由此差分对的供给电压在6uA和7uA之间。

然后我们分析了电路的输出阻抗，与此同时，所有的晶体管一旦达到我们所要求的电流时我们再看下结果我们就知道那个偏置电流源是我们要的最好的。

2.2基本偏置电流源的设计与仿真

如图3所示，我们采用的是一个基本的电流源电路，晶体管尺寸为（W=1900nm,L=350nm），输出电路上的晶体管为（W=500nm,L=350nm）。

图3基本的偏置电路源电路

我们在电路的直流分析的时候，选取V2=T，从0V到1V变化，看输出的电流。

仿真电路图如图4，图5所示。

我们可以看到输出电流为35uA左右，与我们要

图4输出OUT端电流图

求相差很大，而且电路也不是很稳定。

但从图5（我们取交流分析isin=1A）得到的输出电压就为我们要的输出阻抗，由图形可知有效输出阻抗还是非常好。

图5电路从OUT端看的输出电阻图

该电路最主要的优点是电路结构简单而且容易实现电流控制的效果。

但是该电路输出电流太大，而且稳定性不是很好。

2.3折叠状偏置电流源的设计与仿真

我们采用四个晶体管的折叠，各晶体管的尺寸如图6所示。

图6折叠状的偏置电流源电路

该结构相比基本的电流源电路来说显得有一点复杂。

有仿真结果图7和图8所示，它也不利于用来提供大的电流，特别是在输出端。

它主要的优势在于它能提供稳定的电流而且所采用的晶体管尺寸也相对较小，它的输出电阻也比基本电流源电路要大。

但是这种电路的动态范围却减少了。

因此我们在考虑电路的时候要综合考虑。

图7OUT端输出电流图

图8OUT输出阻抗图

2.4减小型的折叠式偏置电流电路

该电路在前面的基础上又增加了一组晶体管，各晶体管尺寸如图9所示。

“减小”一词说的是当达到一个稳定的电流时，所需要的电压通常减少了一半。

这种电路相对基本电流源电路虽然说更复杂了，但是这确是我们设计放大器电路最理想的电路。

如图10和图11所示，它能提供稳定的电流，并且提供大的电流所需的供给电压却非常小。

图9减少型折叠状电流源电路

图10OUT端的稳定电流

图11OUT端的输出阻抗

2.4威尔逊电流源偏置电路

如图12所示，该电路结构与基本的偏置电流源电路相比多了两个晶体管，不过有几个晶体管的尺寸明显加大了。

对于现在要求的小面积的芯片来说，这个偏置电路可能会失去一些优势。

从图13和图14仿真结果可以看出，这个偏置电路照常为输出端口输出0.6-1.1uA的电流，输出阻抗也和基本偏置电路相当。

图12威尔逊电流源偏置电路

图13OUT端输出电流

图14OUT端输出阻抗

2.5改进的威尔逊电流偏置电路

通过增加一个晶体管，电路的性能得到了很好的改善。

具体晶体管尺寸如图15所示，我们可以看到，输出的电流加大了，输出阻抗也和以上的电路相当。

但是这种电路明显又增加了一个晶体管，所以我们选择的时候要综合考虑。

图15改进后的威尔逊电流源偏置电路

图16威尔逊电流源偏置电路OUT端电流

图17OUT端输出阻抗图

3总结

通过对上述的电路仿真分析，我们可以列出一个表1来比较各电路的有关性能。

表中的N表示被镜像电流镜像的次数。

表1各电路性能的比较与分析

电流镜电路排序（由好到差）

所用晶体管个数（包括基准电流源晶体管）

电流的保持性能

输出阻抗

输入阻抗

电路的复杂度

达到所要求的7uA电流所需的晶体管尺寸

减少型折叠电路

6+2N

非常好

很高

低

难

小

基本折叠电路

3+2N

很好

很小

基本的威尔逊电路

2+2N

好

高

适中

很大

改进的威尔逊电路

基本的偏置电路

2+N

差

简单

由表我们可以得出减少型折叠型偏置电路的各项性能为最优，它能提供非常好的电流保持特性，和很高的输出阻抗及很低的输入阻抗。

在现代集成电路要求尺寸越来越少的时候，我们选择此电路为最妥。

不过有时候可以根据需要，可以选择其他的电路。

本次仿真与设计均是照Cadence模拟电路仿真教材来做的，可能还有很多不足，望老师指正，接下来的工作是熟悉集成电路各种电路的电路设计，熟练的掌握差分放大电路的设计。

还有本文参考的文献过少，没有多少创新性，以后要多关注这方面的论文，多有些自己的创新，在和自己的论文方向相结合。