《有源与无源电流镜》课件.ppt

有源与无源电流镜模拟电路设计核心构建模块电流镜基础原理与重要性有源与无源电流镜区别与应用

课程目标理解电流镜基本原理掌握工作机制掌握设计方法有源与无源结构设计分析性能参数评估各类电流镜特性实际应用设计工程实践考量

电流镜概述定义复制参考电流的电路结构基本功能电流的复制与分配关键作用模拟集成电路中的基础单元发展历史从简单结构到复杂设计的演进

电流镜的基本原理晶体管特性基于相同器件复制电流数学模型理想电流镜传递函数传输比率输出与参考电流关系影响因素影响镜像精度的关键变量

理想电流镜与实际电流镜理想电流镜完美器件匹配零温度影响无通道调制效应无频率限制实际电流镜器件失配温度敏感性工艺变化影响寄生效应存在带宽受限

电流镜的主要性能指标输出电阻决定电流源性能质量影响负载调节能力带宽与响应速度高频工作能力指标动态跟踪性能电流复制精度镜像电流与参考电流匹配度受器件匹配影响电压裕度与功耗最小工作电压要求静态功耗与面积开销

无源电流镜基础定义特征仅用无源元件构成反馈基本结构二极管连接的MOS管适用场景简单电路、低成本应用局限性输出阻抗较低、精度受限

基本无源电流镜结构二极管连接MOS管栅极与漏极相连形成参考支路电流传输比率通过晶体管尺寸比例设计器件匹配决定电流复制精度的关键W/L比例通过宽长比实现电流缩放

无源电流镜的数学分析模型方面数学表达影响因素小信号等效晶体管小信号模型寄生参数输出电阻ro≈(λIds)^-1沟道长度调制传输函数Iout/Iref=(W/L)out/(W/L)ref尺寸比例频率响应极点位置由寄生电容决定栅源电容、结电容

无源电流镜的实现电路不同类型晶体管实现、互补结构及多输出变体

无源电流镜的性能分析电流复制精度受器件匹配影响，典型误差1-5%温度依赖性阈值电压随温度漂移沟道调制效应降低输出阻抗，影响镜像精度最小输出电压需满足晶体管饱和条件

无源电流镜的改进方案阻性负反馈源极加入小电阻减小误差级联结构提高输出阻抗，减轻沟道调制多晶体管结构提高匹配度，减小系统误差反馈技术引入反馈降低电流误差

多级级联无源电流镜基本原理通过叠加晶体管隔离输出节点减少漏极电压变化对电流的影响输出电阻提高理论提高约gm×ro倍实际可提高10-100倍输出阻抗设计考量电压裕度降低需权衡阻抗与裕度

Wilson电流镜1结构特点引入反馈环路10×输出电阻提升比基本电流镜高一个量级3晶体管数量比基本结构多一个晶体管1%镜像误差大幅降低电流误差

改进型Wilson电流镜基本电流镜Wilson电流镜改进型Wilson

有源电流镜基础定义与特点采用有源元件形成反馈控制根本区别使用放大器实现电流控制工作原理通过有源反馈精确复制电流3电流控制机制闭环反馈调节输出电流

有源电流镜的工作原理有源反馈控制通过放大器形成闭环调节差分放大器应用检测电流差并调节输出电流复制流程感应-比较-放大-调节

基本有源电流镜结构1差分放大器结构利用差分输入检测电流差异运算放大器控制通过高增益实现精确镜像3共源共栅结构结合有源控制与级联优势结构比较权衡复杂度、精度与功耗

有源电流镜的数学模型小信号等效电路包含放大器与反馈网络考虑全部寄生效应建立电流传递关系传输函数分析开环增益：A0闭环传递：Iout/Iref=A0/(1+A0β)误差因子：1/(1+A0β)稳定性与带宽相位裕度45°保证稳定带宽受增益带宽积限制输出电阻≈ro×A0

有源电流镜的性能优势100×输出电阻比无源结构高数量级0.1%电流误差极高的镜像精度VSat最小电压接近晶体管饱和电压±0.1%温度稳定性温度漂移显著降低

有源电流镜设计考量功耗与复杂度额外放大器功耗增加电路复杂度需权衡设计目标稳定性保障反馈环路补偿防止振荡风险相位裕度确保噪声与面积放大器噪声贡献增加芯片面积电流密度优化

改良型有源电流镜1增强稳定性结构米勒补偿技术前馈路径设计低功耗设计双极性晶体管应用电流复用技术高带宽结构零极点配置优化多级放大结构4低电压应用亚阈值区工作模式电流反射技术

有源电流镜的频率响应频率(MHz)基本电流镜有源电流镜补偿后有源

有源与无源电流镜性能对比性能指标无源电流镜有源电流镜输出电阻中等(ro)很高(A×ro)电流精度1-5%0.1%带宽较高受放大器限制电压裕度VDSsatVDSsat功耗低高芯片面积小大

有源与无源电流镜适用场景无源电流镜适用简单电路设计中等精度要求低功耗应用芯片面积受限高频应用成本敏感产品有源电流镜适用高精度应用大动态范围需求复杂系统设计精密仪器电路高输出阻抗需求高阻值负载驱动

温度效应与补偿技术温度影响机制载流子迁移率随温度变化无源电流镜温度特性高温下电流增加，精度下降有源温度补偿反馈机制自动调节温度偏差

工艺变化与失配分析工艺参数变化阈值电压、迁移率波动器件失配同芯片上相邻元件存在差异2版图技术