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一种年夜电流高输入阻抗电流镜的设计

宣布时间:2010年10月27日 14:10    宣布者:techshare
要害词: 电流镜 , 阻抗
电流镜(CM)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。它是一种能将电路中某一岔道歧路的参考电流在其他岔道歧路得以重现或复制的电路,能增添电压变换和温度变换带来的误差,其性能对所有电路以致系统的性能都有主要的影响。为了顺应种种电路及系统性能的请求,不合的电路须要应用不合结构的电流镜,如镌汰年夜器较量器、自校准电流源等应用结构质朴的电流镜,而转换器等请求高性能电流镜。LED(Light Emitting Diode)驱动电路请求电流镜的输入电流能够到达几十以致上百毫安量级。输入阻抗和电流婚配精度是决议电流镜性能最主要的参数,许多研究都集中于这两点。这里在剖析了基本电流镜和DMCM(Dy-namic Matching Current Mirror)电流镜的基础上提出一种高输入阻抗、高婚配精度的电流镜,其性能比传统电流镜加倍理想,输入电流能够知足高输入电流的请求。

1 基本电流镜

最质朴的电流镜如图1(a)所示,MOS管M1一直处于饱和状态,凭证饱和MOS管漏源电流关系:





式中:μ是电子或空穴迁徙率;Cox体现单元面积的栅氧化层电容;W/L为MOS管的宽长比;λ为沟道长度调制系数。关于较长的沟道,λ值较量小,是以忽视沟道调制效应。由此可知,假定两个类似的MOS管的栅源电压相等,那么其漏源电流也相等。然则图1(a)的输入阻抗仅为rO2,而且由于M1和M2的漏源电压不用定完全相等,使得电路的电流复制才干较量差。

共源共栅结构的电流镜具有比质朴电流镜年夜许多的输入阻抗。图1(b)所示的为尺度共源共栅电流镜,电流镜的输入阻抗为:





然则与质朴电流镜一样,VDS1=VDS2异常得不到很好的保证,这就降低了共源共栅电流镜的电流复制精度。另外,为了使四个管子都处在饱和区,输入电压必须年夜于VT+2VOV,其中VT为管子的阈值电压;VOV为管子的过驱动电压,限制了输入电压摆幅。





图2所示的DMCM结构电流镜中,由于M3,M4,M6三个管子组成了一个负反映,使得其输入阻抗年夜年夜前进,不外反映回路的增益还存在提升空间。DM-CM结构电流镜的输入阻抗为:



经由历程调治M4和M6的宽长比可以完成|VGS4|=VGS6,此时知足VD1=VD3,MOS管M1和M3的漏源电流相等,电流镜具有较好的电流婚配精度。可是M4是PMOS管、M6是NMOS管,PMOS管和NMOS管的跨导会随着Iin变换而变换,而且二者变换的速率不类似,这就招致了M4和M6的栅源电压有着纷歧样的变换速率,因此在Iin的值发生变换时,VD1=VD3不克不及取得很好的知足,是以DMCM结构电流镜很难知足高精度的请求。同时,为了使M4使命在饱和区,输入电压必须年夜于VT十2VOV,招致输入电压摆幅不够宽。



2 刷新电流镜的设

刷新的电流镜如图3所示,它由两个部门组成:MOS晶体管M1~M4组成两级型共源共栅电流镜;MOS晶体管M5~M14组成折叠式共源共栅镌汰年夜器,其中由Vb1,Vb2,Vb3由外部偏置发生。折叠式共源共栅镌汰年夜器能够经由历程负反映增年夜电流镜的输入电阻,前进电流镜的电流婚配精度。

将电流镜的镌汰年夜器部门简化,如图4所示。刷新电流镜的输入阻抗为:




而:









由图4可知:





式中:A为折叠式共源共栅镌汰年夜器的增益。

将式(8)代入式(7),得:





异常,将M2算作共源镌汰年夜器,有:





由式(9),(10)可算出:





凭证折叠式共源共栅镌汰年夜器可知,其增益为:





将式(12)代入式(11),得:





由式(6)和式(13)可盘算出刷新的电流镜的输入阻抗为:





可见本文设计的电流镜的输入阻抗远年夜于原有结构电流镜的输入阻抗。

在刷新电流婚配精度方面,在图4中,首先假定电流镜的输入电流恒定,假定由于噪声等因素,A点的电压上升,在这类情形下,镌汰年夜器正输入端电压稳固,负输入端电压增年夜,必将招致镌汰年夜器的输入端即C点的电压减小。由于M2的栅源电压没有发生变换,那么流过M4的电流不会变换,因此A点的电压又会随着C点电压的减小而减小,直到镌汰年夜器正负两头电压相等。因此可知,本文设计的电流镜在输入电流稳固的情形下能够很好地稳固A点的电压。另外,纵然输入电流发生变换,由于镌汰年夜器的负反映作用,使得能够很好地知足VD1=VD2,即VDS1=VDS2,电流镜的婚配精度也不会随输入电流Iin的变换而改变。

由于镌汰年夜器输入掉落调的存在,招致VDS1和VDS2存在靠近10 mA的误差。在长沟道情形下,λ值通常小于0.01,凭证式(1)可知,电流误差小于10-5量级,是以镌汰年夜器的输入掉落调不会带来年夜的不合性误差。

在图3的电路中,只需知足Vout≥VOV2+VOV4,M2和M4便可以在饱和区正常使命。经由历程调剂M2和M4的宽长比使得过驱动电压均为0.1 V,在输入电压为0.2 V时,电流镜依然有异常好的输入特点;同时,M4使命在线性区时,电流镜也异常具有较高的输入阻抗。

3 测试效果

电路接纳0.5μm的CMOS工艺,MPW流片共得无缺样片96张,其芯片照片如图5所示。





对芯片的输入电压特点、电流婚配精度和电流不合性阻拦了测试,测试效果注解:在3.3 V电源电压时,电流镜的输入阻抗到达200 MΩ以上;在Iin为10 mA时,输入电压摆幅为0.2~5 V,电流婚配精度误差小于0.016%,芯片的电流不合性高于99.5%,具有极端普遍的应用远景。

图6是电流镜的输入电压特点的测试曲线,其中电源电压为3.3 V,Iin=10 mA。测试效果显示:电流镜的输入电压摆幅为0.2~5 V。

另外,经由历程测试效果可以盘算出电流镜的输入阻抗为:





图7是测试出的电流镜输入电流随输入电流的变换曲线,输入电流规模为1μA~100 mA。

电流婚配精度误差可体现为:





电流镜的电流婚配精度误差如表1所示。测试效果注解,在输入电流小于10 mA时,电流镜的电流婚配精度误差小于0.016 9/6,纵然在输入电流为100 mA时,精度误差也小于0.2%。





蒙特卡洛剖析是用于权衡器件特点值对电路性能影响的一种测试措施。在每个蒙特卡洛剖析中,器件的特点值被算作潜在影响测试效果的因素并阻拦分类,由于测试是随机拔取样本,各个特点值也将是随机的。在一个完全的测试阻拦后,可以取得一个或多个效果。每项性子将取得一系列可被统计学统计的效果。关于电流镜而言,主要特点值网罗制造中的搀杂浓度的剖析,外部电源电压的误差和外界的温度变换等。





图8是在室温,输入电流为10 mA情形下,拔取50块电流镜芯片对其输入电流测试的效果。

最年夜输入电流为10.026 41 mA,最小输入电流为9.977 69 mA,匀称输入电流为9.997 85 mA。

电流镜的电流不合性误差可体现为:





4 结 语

在此设计的接纳折叠式共源共栅镌汰年夜器负反映的电流镜,在保证较年夜输入电压摆幅的情形下,年夜年夜前进了电流镜的输入阻抗和电流婚配精度。经由历程测试效果可以看到,电流镜的输入阻抗到达200MΩ,输入电流Iin在小于10mA时,电流婚配精度误差小于0.016%;输入电压摆幅为0.2"5V,具有很好的线性度;经由历程蒙特卡洛测试出的芯片电流不合性误差小于0.5%。测试效果注解,设计的电路能够知足高输入阻抗、高摆幅、高电流婚配精度,高电流不合性和高输入电流的请求。
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