威尔逊恒流源设计

《威尔逊恒流源设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、《集成电路CAD》课程设计报告班级：xxxxxxxxxx学号：xxxxxxxxxx姓名：xxxxxxx指导教师：xxxx8一、设计要求威尔逊恒流源电路版图设计二、设计目的集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流镜电路，为各级提供合适的静态电流；或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高放大电路的放大能力。本设计通过对基本电流镜的改进，设计改进型电流源—威尔逊电流源。三、设计的具体实现a)镜像电流源图1为基于三极管的镜像电流源电路，它由两只特性完全相同的管子T0和T1构成由于T0的

2、管压降Uceo与其b-e之间电压Ubeo相等，从而保证T0工作在放大状态，而不可能进入饱和状态，故其集电极电流IC0=β0IB0。T0和T1的b-e间电压相等，故它们的基电流IB0=IB1=IB，而由于电流放大系数β0=β1=β，故集电极电流IC0=IC1=IC=βIB。可见，由于电路的这种特殊接法，使IC0和IC1呈镜像关系，故称此电路为镜像电流源。IC1为输出电流。电阻R中的电流为基准电流，其表达式为：IR=Vcc-UBER=IC+2IB=IC+2∙ICβ所以集电极电流IC=IR∙ββ+2当β≫

3、2时，输出电流IC1≈IR=Vcc-UBER图18集成运放中纵向晶体管的β均在百倍以上，因而上式成立。当Vcc和R的数值一定时，IC1也就随之确定。镜像电流具有一定的温度补偿作用，简述如下：温度上升时IC1增大，IC0增大，IC0使IR增大，UR（IRR）增大UB减小，IB减小IC1减小。当温度降低时，电流、电压的变化与上述过程相反，因此提高了输出电流IC1的稳定性。镜像电流源电路简单，应用广泛。但是，在电源电压VCC一定的情况下，若要求IC1较大，根据式IC1≈IR=Vcc-UBER，IR势必增大

4、，R的功耗也就增大这是集成电路中应当避免的；若要求IC1很小，则IR的数值必然很大，这在集成电路中是很难做到的。因此，就派生了其他类型的电流源，威尔逊电流源就是通过改进设计的一种。a)威尔逊电流源图2为基于PNP管的威尔逊电流源电路，IC2为输出电流。T1管c-e串联在T2管的发射极，其作用与典型工作点稳定电路中的Re相同。因为c-e间等效电阻非常大，所以可使Ic2高度稳定。图中T0、T1和T2管的特性完全相同，因而β0=β1=β2=β，IC0=IC1=IC。根据各管的电流可知，A点的电流方程为IE

5、2=IC+2IB=IC+2∙ICβ所以IC=ββ+2∙IE2=ββ+2∙1+ββIC2=β+1β+2∙IC2在B点图2IR=IB2+IC=IC2β+β+1β+2∙IC2=β2+2β+2β2+2β∙IC2整理可得IC=（1-2β2+2β+2）IR≈IR8当β=10时，IC≈0.984IR，可见，在β很小时也可以为IC2≈IR，IC2受基极电流影响很小。a)基于NMOS的基本电流镜NMOS基本电流镜由两个NMOS晶体管组成，如图3所示。考虑沟道长度调制效应的晶体管饱和区电流方程：Ids=12εoxμto

6、x∙WL∙Vss-Vt21+λVdsM1管的栅源相接，知VGS=VdS,有VGS-VT1

7、。威尔逊电流镜正是这样的结构。与NMOS基本电流镜相比，威尔逊电流镜的输出电阻较大，这意味着其恒特性优于基本电流镜。提高输出电阻的基本原理是M1的源极是M2形成的串联电流负反馈。电路中M2在相当于串联有源电阻，构成串联电流负反馈；I0↑→VGS2↑→VGS3=VDD—VGS2↓→I0↓→I0趋于恒流。右图中，由于VDS1=VGS3+VGS2，而VGS1=VGS2，所以：VDS1>VGS1，因此M1一定工作在饱和区，所以根据饱和萨氏方程可得：由于VDS2＝VGS2，VDS1=VGS2＋VGS3，即VD

8、S1≠VDS2，所以在这种电流源中，Io/IR的值不仅与M1、M2的几何尺寸相关，还取决于VGS2与VGS3的值。图4根据交流小信号等效电路，可求出电路的输出阻抗。忽略M3的衬偏效应，则有：假定gm1=gm2=gm3，且gm1rds1>>1，则上式可简化为：8a)改进型威尔逊电流源与基本电流镜结构相比，威尔逊电流源具有更大的输出阻抗，所以其恒流特性得到了很大的提高，且只采用了三个MOS管，结构简单，并可应用在亚阈值区。但是图4中M3与M2的漏源电压仍不相同，因此提出了