CN115586810A - 一种稳定cascode电流镜工作状态的偏置网络 - Google Patents

Abstract

针对传统的cascode电流镜晶体管工作状态不稳定从而导致无法精确复制电流的问题，提出了一种采用提取过驱动电压来稳定晶体管工作状态。根据MOS管工作原理，过驱动电压是决定晶体管是否处于饱和状态的重要因素，本专利采用电流镜钳位，提取了晶体管过驱动电压，并为输出晶体管提供了较为稳定的源漏电压。所发明的电路采用双电源供电，可以在±2.7V至±5.5V的电源电压下工作。

Description

一种稳定cascode电流镜工作状态的偏置网络

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及到一种稳定cascode电流镜工作状态的偏置网络。

背景技术

随着集成电路特征尺寸的不断缩小，电子产品也向便携式、高性能、多功能和小型化的趋势发展。而便携式电子产品的特点是要求功率放大器静态功耗小，即要求功率放大器的输出级静态电流小且稳定。

电流镜是模拟集成电路的重要组成部分，由于其具有输出电流恒定，不受输入电压影响等优点，常常被用作放大电路的有源负载或电流偏置，针对普通结构的电流镜，由于沟道长度调制效应导致的电流误差比较大，因此电路设计时常采用共源共栅电流镜结构，来提高输出电阻，减小电流误差。但是，传统的共源共栅电流镜由于其电路结构特点，是以牺牲输出电压幅度来换取输出的高阻抗，且要求更高的电源电压，不适用于当今的低压电路系统。因此本文提出了一种能够稳定cascode电流镜晶体管工作状态的偏置网络。

发明内容

为了稳定cascode电流镜的工作状态，本发明采用的技术方案是利用过驱动电压稳定输出MOS管的工作状态，从而稳定cascode电流镜工作状态，包括包括第一电流源(I₂/2)、第二电流源(I₁)、第三电流源(I₂)、第四电流源(I₂)、第五电流源(I₁)、第六电流源(I₂/2)、第一NMOS管(M₁)、第二NMOS管(M₂)、第三NMOS管(M₃)、第四NMOS管(M₄)、第五NMOS管(M₅)、第六NMOS管(M₆)、第七NMOS管(M₇)、第八NMOS管(M₈)、第九NMOS管(M₉)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第三电阻(R₃)。

第一电流源(I₁)接正电源(VCC)，第一NMOS管(M₁)的漏极与栅极相连，接在第一电流源(I₂/2)上，第二NMOS管(M₁)的漏级接第一MOS管的源极，第二MOS管的源极接负电源(VSS)，第二MOS管的栅极接在第一NMOS管(M₁)的栅极上，第一电阻(R₁)接在第三电流源(I₂)和第三NMOS管(M₃)漏极之间，第二NMOS管(M₂)的漏极与栅极相连，第二NMOS管(M₂)的源极接到第二电流源(I₁)上，第二电阻(R₂)接在第三NMOS管(M₃)和第四NMOS管(M₄)之间，第四NMOS管(M₄)的漏极同时与第二NMOS管(M₂)的漏极相连，第二NMOS管(M₂)的源极接在负电源(VSS)上。第五NMOS管(M₅)的漏极接第四电流源(I₂)，第五NMOS管(M₅)的栅极与第三NMOS管(M₃)栅极相连，第三电阻(R₃)接在第五NMOS管(M₅)的源极和第六NMOS管(M₆)的漏极之间，第六NMOS管(M₆)栅极与第四NMOS管(M₄)栅极相连，第六NMOS管(M₆)源极接在负电源(VSS)上，第五电流源(I₁)接在正电源(VCC)和第五NMOS管(M₅)源极之间，

第七NMOS管(M₇)的漏极与第六NMOS管(M₆)漏极相连，第七NMOS管(M₇)源极与负电源(VSS)相连，第六电流源(I₂/2)接在正电源(VCC)和第八NMOS管(M₈)之间，第八NMOS管(M₈)第五NMOS管(M₅)和第三NMOS管(M₃)栅极相连，第八NMOS管(M₈)源极与第九NMOS管(M₉)漏极相连，第九NMOS管(M₉)栅极与第七NMOS管(M₇)栅极相连，第七NMOS管(M₇)源极与负电源(VSS)相连。

附图说明

图1为本发明提出的稳定cascode电流镜工作状态的偏置网络。

图2为M₉的工作区域随电源电压的变化图

图3为M₉的工作区域随温度的变化图

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1为本发明提出的稳定cascode电流镜工作状态的偏置网络。整个电路包括来自基准的电流源、NMOS对电流镜、以及cascode输出管。

通常情况下，cascode电流镜共源管的漏源电压V_DS会随工艺、温度以及电压的变化而变化，VDS的变化会导致共源管工作区的变化，从而工作不稳定。该电路的功能是为共源共栅结构中的共源管(M₉)提供一个稳定的漏源电压V_DSM9，在该设计中，M9的漏源电压如式()所示。

V_DSM9＝V_o＝V_DsatM9+V_oV (1)

式中：V_DsatM9是保证M₉工作在饱和区的最小漏源电压；V_oV是过驱动电压。

从式(1)可以看出，V_DSM9始终大于V_DsatM9，因此M9始终工作在饱和区，不受PVT的影响，从而能够为运放的各级提供稳定的静态电流。

通过电流镜的复制与钳位作用，可以得到

V_DSM9＝V_o＝V_L，V_K＝V_DsatM9，V_L-V_P＝V_oV (2)

通过对MOS管尺寸设计，使得

(W/L)_M3＝(W/L)_M8，m(M3)＝2*m(M8) (3)

通过第三和第六电流源之间的比例关系，可以得到

I_DM3＝2*I_DM8 (4)

将(3)式带入到(4)式中，得到

V_GSM3＝V_GSM8 (5)

因为M₃与M₈栅极相连，故M₃与M₈源极电位也相等

故可以得到V_DSM9＝V_o＝V_L (6)

因为M₉与M₇栅极相连，其栅极电压相等

(W/L)_M7＝(W/L)_M9，m(M7)＝2*m(M9) (7)

故得

I_DM7＝2*I_DM9＝I₂ (8)

I_DM6＝(I₁+I₂)-I_DM7＝I₁ (9)

由于M₄与M₆的对称性

I₃＝(I₁+I₂)-I_DM4＝I₂ (10)

因为I_DM1＝I_DM9＝I₂/2 (11)

可以得到

M₁₂始终工作在线性区，结合(9)得

其电流满足，

结合式(10)、(11)、(12)可得式子(15)

V_k＝V_DsatM19 (15)

由于V_P＝V_K，V_R7＝V_oV，结合式(5)及式(13)，可得式(14)

V_DSM19＝V_DsatM19+V_OV (16)

从式(3-16)可以看出，MN₁₉始终工作在饱和区，说明该设计提高了低压共源共栅电流镜的稳定性。

Claims (2)

1.采用过驱动电压稳定晶体管工作状态的cascode偏置网络，包括第一电流源(I2/2)、第二电流源(I₁)、第三电流源(I₂)、第四电流源(I₂)、第五电流源(I₁)、第六电流源(I₂/2)、第一NMOS管(M₁)、第二NMOS管(M₂)、第三NMOS管(M₃)、第四NMOS管(M₄)、第五NMOS管(M₅)、第六NMOS管(M₆)、第七NMOS管(M₇)、第八NMOS管(M₈)、第九NMOS管(M₉)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第三电阻(R₃)。第一电流源(I₁)接正电源(VCC)，第一NMOS管(M₁)的漏极与栅极相连，接在第一电流源(I₂/2)上，第二NMOS管(M₁)的漏级接第一MOS管的源极，第二MOS管的源极接负电源(VSS)，第二MOS管的栅极接在第一NMOS管(M₁)的栅极上，第一电阻(R₁)接在第三电流源(I₂)和第三NMOS管(M₃)漏极之间，第二NMOS管(M₂)的漏极与栅极相连，第二NMOS管(M₂)的源极接到第二电流源(I₁)上，第二电阻(R₂)接在第三NMOS管(M₃)和第四NMOS管(M₄)之间，第四NMOS管(M₄)的漏极同时与第二NMOS管(M₂)的漏极相连，第二NMOS管(M₂)的源极接在负电源(VSS)上。第五NMOS管(M₅)的漏极接第四电流源(I₂)，第五NMOS管(M₅)的栅极与第三NMOS管(M₃)栅极相连，第三电阻(R₃)接在第五NMOS管(M₅)的源极和第六NMOS管(M₆)的漏极之间，第六NMOS管(M₆)栅极与第四NMOS管(M₄)栅极相连，第六NMOS管(M₆)源极接在负电源(VSS)上，第五电流源(I₁)接在正电源(VCC)和第五NMOS管(M₅)源极之间，第七NMOS管(M₇)的漏极与第六NMOS管(M₆)漏极相连，第七NMOS管(M₇)源极与负电源(VSS)相连，第六电流源(I₂/2)接在正电源(VCC)和第八NMOS管(M₈)之间，第八NMOS管(M₈)第五NMOS管(M₅)和第三NMOS管(M₃)栅极相连，第八NMOS管(M₈)源极与第九NMOS管(M₉)漏极相连，第九NMOS管(M₉)栅极与第七NMOS管(M₇)栅极相连，第七NMOS管(M₇)源极与负电源(VSS)相连。

2.根据权利要求1所述的稳定cascode结构的偏置网络，其特征在于提取晶体管的过驱动电压，并在其基础上增加一个可控的电阻电压，为cascode电流镜提供偏置，从而将cascode电流镜中的晶体管稳定在饱和区，从而稳定了cascode电流镜的输出。

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