RU2543313C2 - Current mirror with lower output voltage - Google Patents
Current mirror with lower output voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543313C2 RU2543313C2 RU2013125676/08A RU2013125676A RU2543313C2 RU 2543313 C2 RU2543313 C2 RU 2543313C2 RU 2013125676/08 A RU2013125676/08 A RU 2013125676/08A RU 2013125676 A RU2013125676 A RU 2013125676A RU 2543313 C2 RU2543313 C2 RU 2543313C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- current mirror
- input
- mos transistors
- transistors
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
- Control Of Electrical Variables (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в качестве источника тока или высокоомной нагрузки усилителя в структуре аналоговых микросхем и блоков различного функционального назначения.The invention relates to the field of radio engineering and electronics and can be used as a current source or a high-impedance load of an amplifier in the structure of analog microcircuits and blocks for various functional purposes.
Уровень техникиState of the art
Развитие современной микроэлектроники сопровождается уменьшением размеров элементов микросхем и снижением напряжения питания. При этом в КМОП-микросхемах снижается выходное сопротивление транзисторов и коэффициент усиления аналоговых блоков.The development of modern microelectronics is accompanied by a decrease in the size of chip elements and a decrease in the supply voltage. At the same time, the output resistance of transistors and the gain of analog blocks are reduced in CMOS chips.
Традиционным способом повышения коэффициента усиления является последовательное (каскодное) включение МОП-транзисторов с подачей на их затворы разного напряжения смещения [1,2]. Однако при каскодном включении транзисторов повышается минимальное выходное напряжение на последовательно включенных транзисторах, что ограничивает динамический диапазон выходного сигнала.The traditional way to increase the gain is the sequential (cascode) inclusion of MOS transistors with the supply to their gates of a different bias voltage [1,2]. However, when the transistors are casually turned on, the minimum output voltage on the transistors connected in series increases, which limits the dynamic range of the output signal.
Известно техническое решение [3], где во входной цепи токового зеркала используются два каскада для независимого смещения затворов транзисторов в выходной цепи. При этом разность напряжений на затворах МОП-транзисторов в выходной цепи определяются разностью ширины транзисторов (w) в двух каскадах входной цепи (фиг.1).A technical solution is known [3], where two stages are used in the input circuit of the current mirror for independent bias of transistor gates in the output circuit. In this case, the voltage difference across the gates of the MOS transistors in the output circuit is determined by the difference in the width of the transistors (w) in two stages of the input circuit (Fig. 1).
К недостаткам данного технического решения можно отнести высокое входное напряжение; увеличение числа элементов в схеме, а также снижение точности передачи тока из входной цепи токового зеркала в выходную за счет разных режимов работы транзисторов.The disadvantages of this technical solution include the high input voltage; an increase in the number of elements in the circuit, as well as a decrease in the accuracy of current transfer from the input circuit of the current mirror to the output due to the different modes of operation of transistors.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей предлагаемого изобретения является понижение минимального выходного напряжения токового зеркала при сохранении высокого выходного сопротивления. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является снижение напряжения питания или увеличение динамического диапазона выходного сигнала аналогового блока токового зеркала за счет использования в каскодной цепи МОП-транзисторов с разным пороговым напряжением.The task of the invention is to lower the minimum output voltage of the current mirror while maintaining a high output resistance. The technical result that allows you to complete the task is to reduce the supply voltage or increase the dynamic range of the output signal of the analog block of the current mirror due to the use in the cascode circuit of MOS transistors with different threshold voltage.
Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет того, что в токовом зеркале с пониженным выходным напряжением (фиг.2), включающем первый (1) и второй (2) входные МОП-транзисторы, включенные последовательно между шиной питания (3) и входом токового зеркала (4), а также первый (5) и второй (6) выходные МОП-транзисторы, включенные последовательно между шиной питания (3) и выходом токового зеркала (7); истоки и изолирующие «карманы» первого входного (1) и первого выходного (5) МОП-транзисторов соединены с шиной питания (3); затворы всех МОП-транзисторов и изолирующие карманы второго входного (2) и второго выходного (6) МОП-транзисторов подключены к входу токового зеркала.According to the invention, this technical result is achieved due to the fact that in the current mirror with a reduced output voltage (Fig. 2), including the first (1) and second (2) input MOS transistors connected in series between the power bus (3) and the current input mirrors (4), as well as the first (5) and second (6) output MOS transistors connected in series between the power bus (3) and the output of the current mirror (7); the sources and isolating "pockets" of the first input (1) and first output (5) MOS transistors are connected to the power bus (3); the gates of all MOS transistors and insulating pockets of the second input (2) and second output (6) MOS transistors are connected to the input of the current mirror.
Первый выходной (5) и первый входной (1) МОП-транзисторы реализованы топологически в виде блока параллельно соединенных секций минимальной ширины (w), при этом их пороговое напряжение возрастает.The first output (5) and first input (1) MOS transistors are implemented topologically as a block of parallel-connected sections of minimum width (w), while their threshold voltage increases.
Дополнительно разница пороговых напряжений МОП-транзисторов увеличивается благодарят использованию изолирующих «карманов» с повышенным уровнем легирования.Additionally, the difference in threshold voltages of MOS transistors increases due to the use of insulating “pockets” with a high level of doping.
Повышенное выходное сопротивление токового зеркала достигается за счет увеличения напряжения на стоке первого выходного МОП-транзистора (5) до уровня перехода в пологую область выходной вольтамперной характеристики. Значение этого напряжения равно разнице напряжений затвор-исток первого (5) и второго (6) выходных МОП-транзисторов. Эта разница напряжений складывается из разности пороговых напряжений, влияния положительного смещения изолирующего кармана и вдвое более высокой плотности тока в первом выходном МОП-транзисторе (5).The increased output resistance of the current mirror is achieved by increasing the voltage at the drain of the first output MOS transistor (5) to the level of transition to the shallow region of the output current-voltage characteristic. The value of this voltage is equal to the difference between the gate-source voltages of the first (5) and second (6) output MOS transistors. This voltage difference is the sum of the difference in threshold voltages, the influence of the positive bias of the insulating pocket, and a twice higher current density in the first output MOS transistor (5).
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 представлена схема токового зеркала с пониженным выходным напряжением на основе одинаковых МОП-транзисторов (w - минимальная ширина используемых МОП-транзисторов).Figure 1 presents a diagram of a current mirror with a reduced output voltage based on the same MOS transistors (w is the minimum width of the used MOS transistors).
На фиг.2 представлена схема токового зеркала с пониженным выходным напряжением на основе МОП-транзисторов с разными пороговыми напряжениями (w - минимальная ширина используемых МОП-транзисторов).Figure 2 presents a diagram of a current mirror with a reduced output voltage based on MOS transistors with different threshold voltages (w is the minimum width of the used MOS transistors).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении числа элементов в схеме и повышении точности передачи тока токового зеркала при сохранении высокого выходного сопротивления и низкого выходного напряжения.The main objective of the invention is to reduce the number of elements in the circuit and increase the accuracy of the current transmission of the current mirror while maintaining a high output resistance and low output voltage.
Поставленная задача решается тем, что в схеме каскодного токового зеркала использованы МОП-транзисторы с разным пороговым напряжением [4]. Первый входной (1) и первый выходной (5) МОП-транзисторы имеют увеличенное по модулю пороговое напряжение, а второй входной (2) и второй выходной (6) МОП-транзисторы - уменьшенное по модулю пороговое напряжение.The problem is solved in that in the circuit of the cascode current mirror MOS transistors with different threshold voltages are used [4]. The first input (1) and first output (5) MOS transistors have an increased threshold voltage modulo, and the second input (2) and second output (6) MOS transistors have a reduced threshold voltage modulo.
Входные первый (1) и второй (2) транзисторы включены последовательно между шиной питания (3) и входом токового зеркала (4). Выходные первый (5) и второй (6) транзисторы включены последовательно между шиной питания (3) и выходом токового зеркала (7). Истоки и изолирующие карманы первого выходного (5) и первого входного (1) транзисторов подключены к шине питания (3). Затворы всех МОП-транзисторов и изолирующие карманы второго входного (2) и второго выходного (6) транзисторов подключены к входу токового зеркала (4). Такое включение уменьшает напряжение затвор-исток второго входного (2) и второго выходного (6) МОП-транзисторов и увеличивает напряжение сток-исток первого входного (1) и первого выходного (5) транзисторов.The input first (1) and second (2) transistors are connected in series between the power bus (3) and the input of the current mirror (4). The output first (5) and second (6) transistors are connected in series between the power bus (3) and the output of the current mirror (7). The sources and insulating pockets of the first output (5) and first input (1) transistors are connected to the power bus (3). The gates of all MOS transistors and insulating pockets of the second input (2) and second output (6) transistors are connected to the input of the current mirror (4). This inclusion reduces the gate-source voltage of the second input (2) and second output (6) MOS transistors and increases the drain-source voltage of the first input (1) and first output (5) transistors.
Увеличение по модулю величины порогового напряжения первого входного (1) и первого выходного (5) МОП-транзисторов достигается их реализацией в форме блока параллельно включенных транзисторов минимальной ширины (w), а уменьшение порогового напряжения - объединением электродов затвора и изолирующего «кармана» [4]. Топологическое и схемотехническое изменения порогового напряжения не требуют изменения технологии производства микросхем.An increase in the magnitude of the threshold voltage of the first input (1) and first output (5) MOS transistors is achieved by their implementation in the form of a block of parallel-connected transistors of the minimum width (w), and a decrease in the threshold voltage by combining the gate electrodes and an insulating "pocket" [4 ]. Topological and circuit changes in the threshold voltage do not require changes in the technology for the production of microcircuits.
Дополнительное увеличение разницы пороговых напряжений МОП-транзисторов может быть достигнуто применением изолирующих «карманов» с разным уровнем легирования.An additional increase in the difference in threshold voltages of MOS transistors can be achieved by using insulating “pockets” with different doping levels.
За счет того, что пороговое напряжение второго входного (2) и второго выходного (6) транзисторов меньше по модулю, чем у первого входного (1) и первого выходного (5) транзисторов, напряжение в точках последовательного соединения входных и выходных транзисторов увеличивается и достигает уровня, при котором выходные вольтамперные характеристики первого входного (1) и первого выходного (5) транзисторов переходят в область с высоким сопротивлением.Due to the fact that the threshold voltage of the second input (2) and second output (6) transistors is less in absolute value than the first input (1) and first output (5) transistors, the voltage at the serial connection points of the input and output transistors increases and reaches the level at which the output current-voltage characteristics of the first input (1) and first output (5) transistors go into the region with high resistance.
Согласно литературным источникам [1] реально используются режимы работы токового зеркала с выходным напряжением не менее 0,1 В. Следовательно разница пороговых напряжений МОП-транзисторов должна быть больше 0,1 В. Предложенное решение позволяет снизить минимальное выходное напряжение каскодного токового зеркала до 0,2 В без снижения выходного сопротивления.According to the literature [1], the operating modes of the current mirror with an output voltage of at least 0.1 V are actually used. Therefore, the difference in threshold voltage of MOS transistors should be greater than 0.1 V. The proposed solution allows to reduce the minimum output voltage of the cascode current mirror to 0, 2 V without reducing output impedance.
Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение обеспечивает возможность снижения напряжения питания аналоговых блоков, в том числе и в микросхемах на основе нанометровых КМОМ-технологий.The technical solution proposed as an invention makes it possible to reduce the supply voltage of analog blocks, including in microcircuits based on nanometer CMOM technologies.
Реализуемость изобретения подтверждается результатами моделирования характеристик токового зеркала с использованием практически проверенных методик, лицензированных программных средств (Spectre Cadence) и верифицированных моделей элементов (Silterra Microelectronics).The feasibility of the invention is confirmed by the results of modeling the characteristics of the current mirror using practically proven methods, licensed software (Specter Cadence) and verified element models (Silterra Microelectronics).
[1] S.Chatterjee, К.Pun, N.Stanic', Y.Tsividis, P Kinget. Analog Circuit Design Techniques at 0.5 V. Springer, 2007.[1] S. Chatterjee, K. Pun, N. Stanic ', Y. Tsividis, P Kinget. Analog Circuit Design Techniques at 0.5 V. Springer, 2007.
[2] Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - 454 с.: ил.[2] Enns V.I., Kobzev Yu.M. Designing analog CMOS chips. Developer Quick Reference / Edited by Ph.D. tech. sciences V.I. Anns. - M .: Hot line - Telecom. - 2005 .-- 454 p.: Ill.
[3] P.Е.Allen, D.R.Holberg. CMOS Analog Circuit Design. New York, Oxford, Oxford University Press, 1996.[3] P.E. Allen, D.R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design. New York, Oxford, Oxford University Press, 1996.
[4] A.M.Walke, N.M.Mohapatra. Effects of Small Geometries on the Performance of Gate First High-k Metal Gate NMOS Transistors. IEEE Transactions on Electron Devices. V. 59, N. 10, 2012.[4] A.M. Walke, N. M. Mohapatra. Effects of Small Geometries on the Performance of Gate First High-k Metal Gate NMOS Transistors. IEEE Transactions on Electron Devices. V. 59, N. 10, 2012.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125676/08A RU2543313C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Current mirror with lower output voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125676/08A RU2543313C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Current mirror with lower output voltage |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013125676A RU2013125676A (en) | 2014-12-10 |
RU2543313C2 true RU2543313C2 (en) | 2015-02-27 |
Family
ID=53290164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013125676/08A RU2543313C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Current mirror with lower output voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543313C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6496049B2 (en) * | 2000-08-01 | 2002-12-17 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor integrated circuit having a current control function |
RU2455758C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
RU2469467C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Multistage alternating current amplifier |
RU2474954C1 (en) * | 2011-12-13 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
-
2013
- 2013-06-04 RU RU2013125676/08A patent/RU2543313C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6496049B2 (en) * | 2000-08-01 | 2002-12-17 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor integrated circuit having a current control function |
RU2455758C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
RU2469467C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Multistage alternating current amplifier |
RU2474954C1 (en) * | 2011-12-13 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013125676A (en) | 2014-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5323142B2 (en) | Reference current source circuit | |
US6815941B2 (en) | Bandgap reference circuit | |
KR20180034555A (en) | Complementary current field effect transistor device and amplifier | |
KR101531887B1 (en) | A negative level shifter | |
JP2011029912A (en) | Reference voltage circuit and electronic device | |
JP6097582B2 (en) | Constant voltage source | |
Nowbahari et al. | Analysis of a low power inverting CMOS Schmitt trigger operating in weak inversion | |
RU2543313C2 (en) | Current mirror with lower output voltage | |
Raja et al. | Design of recycling folded cascode amplifier using potential distribution method | |
JP2020129236A (en) | Reference voltage circuit and semiconductor device | |
JP5570973B2 (en) | Integrated circuit, apparatus and method for powering down an analog circuit | |
Gupta et al. | Analysis and modeling of capacitances in halo-implanted MOSFETs | |
Gaonkar et al. | Modeling, design and analysis of high CMRR two stage gate driven operational transconductance amplifier using 0.18 μm CMOS technology | |
RU139042U1 (en) | DIFFERENTIAL CMOS AMPLIFIER | |
KR101783490B1 (en) | Outputting circuit | |
Tanaka et al. | A 0.5-V 85-nW rail-to-rail operational amplifier with a cross-coupled output stage | |
Chaudhry et al. | Bandwidth extension of analog multiplier using dynamic threshold MOS transistor | |
RU2683185C1 (en) | Operational transconductive amplifier with differential output | |
CN109062305B (en) | Reference voltage source circuit | |
Voicu-Spineanu et al. | Increased transconductance MOSFET device | |
RU132651U1 (en) | CMOS DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR | |
CN115437448B (en) | Current source circuit, reference voltage circuit and chip | |
RU158424U1 (en) | CMOS DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR | |
RU158710U1 (en) | DIFFERENTIAL AMPLIFICATION INPUT CASCADE FOR LOW VOLTAGE CIRCUITS | |
Ijjada et al. | Design of low power and high speed inverter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150605 |