低电压共源共栅电流镜设计卡
用途:在给定输出摆幅预算与输入电流下,确定共源共栅电流镜的 W/L、沟长与栅偏置电阻。 输入:、、允许压降 、最小沟长、匹配要求。 输出:四管尺寸、偏置电阻 、输出摆幅边界、验证计划。
结论先行
| 量 | 结果 | 条件 |
|---|---|---|
| 最小宽长比 | 21.3 | ,, |
| 实际取值 | 25(150/6 与 50/2) | 输入/输出管长沟道,共源共栅管短沟道 |
| 栅偏置电阻 | ||
| 输出摆幅 | 可低至 |
适用与不适用
适用:低压差、中等精度(1% 量级)的片上偏置;需要抑制沟道长度调制、又不想引入稳压共源共栅的环路稳定性问题。
不适用:需要 ppm 级匹配的基准核心电流(应加长沟道、共质心版图并考虑 trimming);输出摆幅几乎等于 的场合(共源共栅至少牺牲两个 )。
拓扑与工作点
采用 P 型共源共栅镜:mp1 二极管连接作为输入,mp2 复制电流,mp3/mp4 为共源共栅管, 为 mp3/mp4 的栅提供偏置。关键是让 mp1 与 mp2 的漏源电压相等,从而消掉 引起的一阶误差:
线性区边界由 mp2 与 mp4 的饱和电压之和决定,因此输出最低电压为 。
设计方程
饱和电压与宽长比:
栅偏置电阻由回路方程给出(mp1/mp3 同尺寸、同电流密度时 ):
输出电阻:普通共源共栅约 ;若加一级增益 构成稳压共源共栅,则
代价是环路带宽与稳定性,普通偏置场景通常不值得。
设计规则
- 先分压降预算:。本例允许 0.6 V,取 0.3 V + 0.25 V,留 0.05 V 余量。
- 定 :按匹配与面积折中分配;四个管子取同一 最省事,但共源共栅管可以更小。
- 算最小 W/L:用上式得 21.3,向上取整并留 10–20% 余量,取 25。
- 沟长分工:输入/输出管取长沟道压 (本例 6 µm,为最小沟长的 6 倍);共源共栅管取短沟道省面积(2 µm)。
- 定偏置电阻:;务必保证 mp3/mp4 同尺寸、同电流密度,否则 不成立。
- 复核边界:输出降到 时 mp4 应仍在饱和区;再低则电流塌陷属预期。
数值算例(可复算)
- 已知 、、。
- 最小宽长比:。
- 取 :输入/输出管 (),共源共栅管 。
- 偏置电阻:。
- 输出摆幅:最低 。
非理想与版图
- 沟道长度调制:输出电流随 变化,靠长沟道与 压制;这是本结构存在的首要理由。
- 失配:mp1/mp2 的 直接变成电流误差,按 Pelgrom 定律用大面积换精度;共质心、同方向、加 dummy。
- 电阻误差: 的绝对值误差只影响 ,进而影响 误差,不直接改变镜像比,但会吃掉摆幅余量。
- 阱与衬底:P 型管放在独立 N 阱,注意阱电阻与 latch-up 间距。
验证计划(待验证)
| 项 | 内容 |
|---|---|
| testbench | 理想 10 µA 灌入 mp1; 取工艺额定值; 从 0 扫到 |
| 分析类型 | dc 扫描、蒙特卡洛失配(≥200 次)、corner |
| 工艺角 | TT / FF / SS / FS / SF,温度 −40 / 27 / 125 °C |
| 通过判据 | 时 ;失配 ;摆幅边界与手算相差 ≤50 mV |
本页数值全部来自教材 Design Example 1.1 的复算,尚无自有仿真数据,状态保持 draft。
失效模式
| 现象 | 根因 | 排查顺序 |
|---|---|---|
| 输出电流随 明显上升 | 未压住、沟长太短 | 先看 是否按 6 倍最小沟长;再查 |
| 低压差时电流突然塌陷 | mp4 进入线性区 | 核对 与摆幅预算 |
| 镜像比整体偏大/偏小 | mp1/mp2 失配或 偏差 | 查版图匹配与电阻绝对值 |
| 上电后偏置点不确定 | 栅节点浮空、 缺失 | 查 mp3/mp4 栅是否有直流通路 |
证据与溯源
| 断言 | 类型 | 内容 |
|---|---|---|
rmvr-ch01-010 | 公式 | 沟道长度调制 |
rmvr-ch01-011 | 公式 | 双极镜基极电流误差(对照:MOS 无此误差) |
rmvr-ch01-012 | 表格 | 简单/共源共栅镜对比(原文表达式存疑,不引用) |
rmvr-ch01-013 | 数值 | 最小宽长比 21.3,实际取 25(150/6、50/2) |
rmvr-ch01-014 | 数值 | 栅偏置电阻 30 kΩ(0.3 V / 10 µA) |
rmvr-ch01-015 | 公式 | 稳压共源共栅输出电阻 |
rmvr-ch01-024 | 推演 | 偏置电阻通式 |
参考
- Rincon-Mora Voltage References 深度解析 §1.2.2(Design Example 1.1,原文图 1.5、表 1.1)
- 电流镜基础与Cascode电流镜、偏置电路与电流基准
- 账本:
claims/rincon-mora-vr/ch01-the-basics.claims.json