模拟集成电路设计系列博客——1.1.6 输出阻抗增强电流镜

1.1.6 输出阻抗增强电流镜

另一种常用的Cascode电流镜的变种是输出阻抗增强电流镜，一种简单电路形式如下图所示：

其基本思路是利用一个反馈放大器来尽可能地保证\(Q_2\)两端地漏源电压尽可能地稳定，而不需要考虑输出电压。添加了这个放大器后，理想上将Cascode电流镜地输出阻抗增大了1加环路增益倍。利用之前Cascode电流镜的结论，有：

\[R_{out}\approx g_{m1}r_{ds1}r_{ds2}(1+A) \tag{1.1.36} \]

在实践中，输出阻抗可能会由于短沟道效应被\(Q_1\)的漏极到衬底之间的寄生电导所限制。这个寄生电导是高能电子之间碰撞的结果，产生的电子空穴对中，空穴流向了衬底。这些产生的电子空穴对通常称为碰撞电离。包含了放大器\(A(s)\)和\(Q_1\)的稳定性必须要被检验。

下图展示了输出阻抗增强电流镜的一种实现[Säckinger, 1990]，在例子中反馈放大器通过\(Q_{3}\)和其偏置电流源\(I_{B1}\)组成的共源级放大器实现，假定电流源\(I_{B1}\)的输出阻抗大约等于\(r_{ds3}\)，那么回路增益为\((g_{m3}r_{ds3})/2\)，最终理想输出阻抗为：

\[r_{out} \approx \frac{g_{m1}g_{m3}r_{ds1}r_{ds2}r_{ds3}}{2} \tag{1.1.37} \]

由\(Q_4\)，\(Q_5\)，\(Q_6\)，\(I_{in}\)和\(I_{B2}\)构成的电路工作起来等效为一个二极管连接的晶体管，用来确保所有的晶体管偏置电压和\(Q_1\)，\(Q_2\)，\(Q_3\)和\(I_{B1}\)组成的输出电路一致，作为结果，\(I_{out}\)与\(I_{in}\)将会精确地匹配。

这种结构实现上很简单，但是主要的缺点是信号摆幅被严重的减少，这种减少源自\(Q_2\)和\(Q_5\)被偏置到远大于最小需求的源漏电压。具体的源漏电压为：

\[V_{DS2}=V_{DS5}=V_{eff3}+V_{tn3} \tag{1.1.38} \]

相比\(V_{eff2}\)的最小需求，损失的摆幅对于低供电电压的现代工艺是严重有害的，因此有进一步结合宽摆幅电流镜和输出阻抗增强电流镜的电路被提出。