RU2544780C1 - Low-voltage cmos current mirror - Google Patents
Low-voltage cmos current mirror Download PDFInfo
- Publication number
- RU2544780C1 RU2544780C1 RU2013150268/08A RU2013150268A RU2544780C1 RU 2544780 C1 RU2544780 C1 RU 2544780C1 RU 2013150268/08 A RU2013150268/08 A RU 2013150268/08A RU 2013150268 A RU2013150268 A RU 2013150268A RU 2544780 C1 RU2544780 C1 RU 2544780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- transistors
- current mirror
- power bus
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к аналоговым интегральным микросхемам и блокам на основе КМОП транзисторов с нанометровыми размерами элементов.The invention relates to the field of radio engineering and electronics, in particular to analog integrated circuits and blocks based on CMOS transistors with nanometer-sized elements.
Развитие КМОП технологии идет по пути уменьшения размеров элементов. При этом неизбежно уменьшается напряжение питания микросхем и выходное сопротивление транзисторов. Статические параметры аналоговых блоков зависят от напряжения питания и выходного сопротивления транзисторов. Новое схемотехническое решение направлено на увеличение выходного сопротивления источников тока с минимальным увеличением сложности схемы и соответствующей площади на кристалле.The development of CMOS technology is on the way to reducing the size of elements. In this case, the supply voltage of the chips and the output resistance of the transistors inevitably decrease. The static parameters of analog blocks depend on the supply voltage and the output resistance of the transistors. The new circuitry solution is aimed at increasing the output resistance of current sources with a minimal increase in the complexity of the circuit and the corresponding area on the chip.
В известных технических решениях стабилизация выходного тока достигается последовательным (каскодным) включением МОП транзисторов во входной и выходной цепях, а также введением в схему дополнительного регулятора, управляющего одним из выходных транзисторов [1, 2, 3, 4]. Простое каскодное включение одинаковых МОП транзисторов уменьшает диапазон изменения напряжения на выходе токового зеркала.In well-known technical solutions, the stabilization of the output current is achieved by sequential (cascode) switching on the MOS transistors in the input and output circuits, as well as by introducing an additional regulator controlling one of the output transistors into the circuit [1, 2, 3, 4]. Simple cascode inclusion of the same MOS transistors reduces the range of voltage changes at the output of the current mirror.
Введение дополнительного регулятора на основе операционного усилителя значительно усложняет схему и увеличивает площадь блока на кристалле микросхемы и энергопотребление [4].The introduction of an additional controller based on an operational amplifier significantly complicates the circuit and increases the block area on the chip chip and power consumption [4].
Наиболее близким техническим решением является токовое зеркало, описанное в литературе [5]. Прототип содержит идентичные входной и выходной каскады с последовательно включенными МОП транзисторами, имеющими разное пороговое напряжение, и цепи активного регулирования во входном и выходном каскадах.The closest technical solution is the current mirror described in the literature [5]. The prototype contains identical input and output stages with series-connected MOS transistors having different threshold voltages and active control circuits in the input and output stages.
Самое простое техническое решение для повышения выходного сопротивления токового зеркала - это последовательное включение двух МОП транзисторов в выходной цепи. Дополнительное увеличение выходного сопротивления достигается выбором порогового напряжения МОП транзисторов входной и выходной цепей. Пороговое напряжение транзистора, соединенного стоком с выходом токового зеркала, должно быть меньше, чем у транзистора, соединенного истоком с шиной питания.The simplest technical solution to increase the output resistance of a current mirror is the series connection of two MOS transistors in the output circuit. An additional increase in output resistance is achieved by choosing the threshold voltage of the MOS transistors of the input and output circuits. The threshold voltage of a transistor connected by a drain to the output of a current mirror should be less than that of a transistor connected by a source to a power bus.
Технологически самый простой способ уменьшения порогового напряжения МОП транзисторов - это не проводить дополнительное легирование подложки в местах размещения транзисторов. При этом получается естественный транзистор с близким к нулю пороговым напряжением.Technologically, the easiest way to reduce the threshold voltage of MOS transistors is to not additionally dope the substrate at the transistor locations. This results in a natural transistor with a threshold voltage close to zero.
Простое техническое решение не обеспечивает увеличение выходного сопротивления в десятки или сотни раз. Многократное увеличение выходного сопротивления достигается введением в схему цепи активного регулирования на основе операционного усилителя, что увеличивает энергопотребление и площадь блока. A simple technical solution does not provide an increase in output resistance tens or hundreds of times. A multiple increase in output resistance is achieved by introducing into the circuit an active control circuit based on an operational amplifier, which increases power consumption and unit area.
Согласно изобретению технический результат достигается за счет упрощения цепи активного регулирования, включающей истоковый повторитель на основе МОП транзистора с обеднением канала и резистора, соединяющего исток этого транзистора со стоком МОП транзистора, исток которого подключен к первой шине питания. Повышение выходного напряжения токового зеркала увеличивает ток в выходной цепи. Компенсация изменения выходного тока достигается при равенстве величины выходного сопротивления токового зеркала без цепи регулирования и сопротивления резистора в цепи регулирования. Дополнительное уменьшение площади источника тока достигается путем замены резистора в цепи регулирования на МОП транзистор в режиме резистора с затвором, подключенным к шине питания. МОП транзисторы с обогащением и обеднением канала могут быть реализованы в микросхеме одновременно путем селективного легирования подложки. Последовательное (каскодное) включение МОП транзисторов увеличивает выходное сопротивление токового зеркала, однако, снижение напряжения питания микросхемы не позволяет достигнуть полной компенсации зависимости выходного тока от выходного напряжения без активного регулирования.According to the invention, the technical result is achieved by simplifying the active control circuit, including a source follower based on a MOS transistor with a depletion of the channel and a resistor connecting the source of this transistor to the drain of the MOS transistor, the source of which is connected to the first power bus. Increasing the output voltage of the current mirror increases the current in the output circuit. Compensation for changes in the output current is achieved when the value of the output resistance of the current mirror is equal without the control circuit and the resistance of the resistor in the control circuit. An additional reduction in the area of the current source is achieved by replacing the resistor in the control circuit with a MOS transistor in the resistor mode with a gate connected to the power bus. MOS transistors with enrichment and depletion of the channel can be implemented in the chip simultaneously by selective doping of the substrate. Serial (cascode) switching of MOS transistors increases the output resistance of the current mirror, however, a decrease in the supply voltage of the microcircuit does not allow full compensation of the dependence of the output current on the output voltage without active regulation.
Задачей настоящего изобретения является повышение выходного сопротивления токового зеркала и повышение точности передачи тока без увеличения энергопотребления и сложности схемы.The objective of the present invention is to increase the output impedance of the current mirror and increase the accuracy of current transfer without increasing power consumption and circuit complexity.
Низковольтное КМОП токовое зеркало построено на основе входного и выходного каскадов. Каждый из каскадов включает два МОП транзистора первого типа проводимости, включенных последовательно между первой шиной питания и входом/выходом токового зеркала, соответственно. Причем транзисторы, подключенные истоком к первой шине питания, имеют повышенное пороговое напряжение, а транзисторы, соединенные стоком с входом/выходом, имеют пороговое напряжение противоположного знака. Затворы всех транзисторов соединены с входом токового зеркала, а контакты к подложке - с первой шиной питания.The low-voltage CMOS current mirror is built on the basis of the input and output stages. Each of the stages includes two MOS transistors of the first type of conductivity, connected in series between the first power bus and the input / output of the current mirror, respectively. Moreover, the transistors connected by the source to the first power bus have a higher threshold voltage, and the transistors connected by the drain to the input / output have a threshold voltage of the opposite sign. The gates of all transistors are connected to the input of the current mirror, and the contacts to the substrate are connected to the first power bus.
Отличительный признак изобретения - это упрощенная схема цепей активного регулирования, включающая МОП транзистор первого типа проводимости с пороговым напряжением противоположного знака и ограничительный резистор. Причем сток транзистора подключен к второй шине питания, контакт к подложке - к первой шине питания, а резистор включен между истоком МОП транзистора и точкой последовательного соединения входных/выходных транзисторов. Затвор МОП транзистора соединен с входом/выходом токового зеркалаA distinctive feature of the invention is a simplified circuit of active control circuits, including a MOS transistor of the first type of conductivity with a threshold voltage of the opposite sign and a limiting resistor. Moreover, the drain of the transistor is connected to the second power bus, the contact to the substrate to the first power bus, and the resistor is connected between the source of the MOS transistor and the serial connection point of the input / output transistors. The gate of the MOS transistor is connected to the input / output of the current mirror
В цепи активного регулирования глубина отрицательной обратной связи определяется сопротивлением резистора. Истоковый повторитель в цепи активного регулирования отводит часть выходного тока в цепь питания. Величина отводимого тока определяется сопротивлением резистора в цепи активного регулирования. Выбирая номинальную величину сопротивления в цепи регулирования, можно управлять выходным сопротивлением токового зеркала. Причем возможна реализация и отрицательного значения выходного сопротивления токового зеркала.In the active control circuit, the depth of negative feedback is determined by the resistance of the resistor. The source follower in the active control circuit diverts a portion of the output current to the power circuit. The magnitude of the output current is determined by the resistance of the resistor in the active control circuit. Choosing the nominal value of the resistance in the control circuit, you can control the output resistance of the current mirror. Moreover, it is possible to realize a negative value of the output resistance of the current mirror.
Возможна альтернатива, позволяющая не использовать в схеме высокоомные резисторы, требующие дополнительных технологических операций. Для этого в цепи активного регулирования резистор заменяется на МОП транзистор второго типа проводимости с затвором, подключенным к первой шине питания, и контактом к подложке, соединенным со второй шиной питания.An alternative is possible, which allows not to use high-resistance resistors in the circuit that require additional technological operations. For this, in the active control circuit, the resistor is replaced by a MOS transistor of the second type of conductivity with a gate connected to the first power bus and a contact to the substrate connected to the second power bus.
Отличительным признаком изобретения является использование в цепи активного регулирования истокового повторителя с обеднением канала, что обеспечивает равенство напряжений на выходном транзисторе и на резисторе в цепи регулирования и, как следствие, линейный характер возрастания тока в цепи регулирования с увеличением выходного напряжения.A distinctive feature of the invention is the use of a source follower with channel depletion in the active control circuit, which ensures equal voltages at the output transistor and at the resistor in the control circuit and, as a result, the linear nature of the current increase in the control circuit with increasing output voltage.
На фиг.1 и 2 приведены схемы низковольтного токового зеркала на основе МОП транзисторов с обеднением и обогащением канала, имеющего цепи активного регулирования, где:Figure 1 and 2 shows a diagram of a low-voltage current mirror based on MOS transistors with depletion and enrichment of a channel having active control circuits, where:
1 - входной каскад;1 - input stage;
2 - выходной каскад;2 - output stage;
3 - первая шина питания;3 - the first power bus;
4 - вход токового зеркала;4 - input current mirror;
5 - выход токового зеркала;5 - current mirror output;
6 - входной транзистор с повышенным пороговым напряжением;6 - input transistor with a high threshold voltage;
7 - входной транзистор с пониженным пороговым напряжением;7 - input transistor with a reduced threshold voltage;
8 - резистор (МОП транзистор) входной цепи активного регулирования;8 - resistor (MOS transistor) input circuit active regulation;
9 - МОП транзистор с обеднением канала во входной цепи активного регулирования;9 - MOS transistor with a depletion of the channel in the input circuit of the active regulation;
10 - выходной транзистор с повышенным пороговым напряжением;10 - output transistor with a high threshold voltage;
11 - выходной транзистор с пониженным пороговым напряжением;11 - output transistor with a reduced threshold voltage;
12 - резистор (МОП транзистор) выходной цепи активного регулирования;12 - resistor (MOS transistor) output circuit active regulation;
13 - МОП транзистор с обеднением канала в выходной цепи активного регулирования;13 - MOS transistor with a depletion of the channel in the output circuit of the active regulation;
14 - вторая шина питания.14 - second power bus.
На фиг.2 приведена схема низковольтного токового зеркала с улучшенной термостабильностью параметров за счет использования МОП транзисторов вместо резисторов, поз.8 и поз.12.Figure 2 shows a diagram of a low-voltage current mirror with improved thermal stability of parameters due to the use of MOS transistors instead of resistors, pos. 8 and pos. 12.
Резистор в цепи активного регулирования может быть выполнен как в форме легированного поликремниевого проводника, так и в форме МОП транзистора с обогащением канала. В этом случае его затвор подключен к второй шине питания, а контакт к подложке - к первой шине питания. Замена резистора на МОП транзистор снижает зависимость выходного сопротивления токового зеркала от температуры.The resistor in the active control circuit can be made both in the form of a doped polysilicon conductor and in the form of a MOS transistor with channel enrichment. In this case, its shutter is connected to the second power bus, and the contact to the substrate to the first power bus. Replacing the resistor with a MOS transistor reduces the temperature dependence of the output resistance of the current mirror.
Низковольтное токовое зеркало на основе МОП транзисторов с обогащением и обеднением канала, включающее цепи активного регулирования, обеспечивает увеличение выходного сопротивления и точности передачи по току с минимальным увеличением сложности и площади блока на кристалле микросхемы.A low-voltage current mirror based on MOS transistors with channel enrichment and depletion, including active control circuits, provides an increase in the output resistance and current transmission accuracy with a minimum increase in the complexity and area of the block on the chip chip.
Отличительный признак технического решения состоит в комплексном использовании каскодного включения МОП транзисторов с обогащением и обеднением канала совместно с простейшей цепью активного регулирования.A distinctive feature of the technical solution is the integrated use of cascode switching of MOS transistors with enrichment and depletion of the channel together with the simplest active control circuit.
Токовое зеркало с повышенным выходным сопротивлением включает схемотехнически идентичные входной и выходной каскады; каждый на основе двух МОП транзисторов первого типа проводимости, включенных последовательно между первой шиной питания и входом (выходом) токового зеркала соответственно.A current mirror with a high output resistance includes circuit-identical identical input and output stages; each based on two MOS transistors of the first type of conductivity, connected in series between the first power bus and the input (output) of the current mirror, respectively.
Транзисторы, соединенные истоком с первой шиной питания, имеют структуру с обогащением канала и повышенным пороговым напряжением, транзисторы, соединенные стоком с входом (выходом), имеют структуру с обеднением канала и пороговым напряжением противоположного знака; затворы транзисторов соединены с входом токового зеркала, а контакты к подложке - с первой шиной питания. В схемы входного и выходного каскадов введены цепи активного регулирования на основе последовательно соединенных резистора и МОП транзистора с обеднением канала и проводимостью первого типа, причем стоки этих транзисторов подключены к второй шине питания, контакты к подложке - к первой шине питания, а затворы - к входу или выходу токового зеркала соответственно; истоки через резисторы соединены с точками последовательного соединения входных (выходных) транзисторов соответственно; контакты к подложке всех транзисторов подключены к первой шине питания.Transistors connected by a source to the first power bus have a structure with channel enrichment and increased threshold voltage, transistors connected by a drain with input (output) have a channel depletion structure and threshold voltage of opposite sign; the gates of the transistors are connected to the input of the current mirror, and the contacts to the substrate are connected to the first power bus. Active control circuits based on a series-connected resistor and a MOS transistor with channel depletion and first-type conductivity are introduced into the input and output stages, and the drains of these transistors are connected to the second power bus, the contacts to the substrate to the first power bus, and the gates to the input or current mirror output, respectively; the sources through the resistors are connected to the serial connection points of the input (output) transistors, respectively; the contacts to the substrate of all transistors are connected to the first power bus.
На фиг.3 показан результат расчета изменения выходного сопротивления токового зеркала при подключении цепи активного регулирования.Figure 3 shows the result of calculating the change in the output resistance of the current mirror when an active control circuit is connected.
Подбор номинала резистора или ширины МОП транзистора второго типа проводимости в цепи активного регулирования позволяет увеличить величину выходного сопротивления токового зеркала и даже получить его отрицательное значение.The selection of the resistor value or the width of the MOS transistor of the second type of conductivity in the active control circuit allows you to increase the value of the output resistance of the current mirror and even get its negative value.
Предложенное техническое решение позволяет простыми средствами управлять выходным сопротивлением источника тока и получить большое усиление в одном усилительном каскаде за счет отрицательного дифференциального сопротивления нагрузочного источника тока.The proposed technical solution allows simple means to control the output impedance of the current source and to obtain a large gain in one amplifier stage due to the negative differential resistance of the load current source.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4550284.1. US patent No. 4550284.
2. Патент РФ №2365969.2. RF patent No. 2365969.
3. Патент РФ №2362202.3. RF patent No. 2362202.
4. S. Yan, Е. Sanches-Sinencio, Low voltage analog circuit design techniques., IEICE Transactions on Analog integrated circuits and systems, vol. E00-A, No.2, p.1-17, 2000.4. S. Yan, E. Sanches-Sinencio, Low voltage analog circuit design techniques., IEICE Transactions on Analog integrated circuits and systems, vol. E00-A, No.2, p. 1-17, 2000.
5. T. Serrano, Linares-Barranco, The active-input regulated-cascode current mirror, IEEE Transactions on Circuits and Systems 11: Analog and Digital Signal Processing, vol.41, p.464-467, June 1994 (прототип).5. T. Serrano, Linares-Barranco, The active-input regulated-cascode current mirror, IEEE Transactions on Circuits and Systems 11: Analog and Digital Signal Processing, vol. 41, p. 464-467, June 1994 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013150268/08A RU2544780C1 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Low-voltage cmos current mirror |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013150268/08A RU2544780C1 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Low-voltage cmos current mirror |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2544780C1 true RU2544780C1 (en) | 2015-03-20 |
Family
ID=53290760
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013150268/08A RU2544780C1 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Low-voltage cmos current mirror |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2544780C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2339156C2 (en) * | 2006-08-23 | 2008-11-20 | Силикон Точ Текнолоджи Инк. | Circuit of current mirror with automatic band switching |
US7463013B2 (en) * | 2004-11-22 | 2008-12-09 | Ami Semiconductor Belgium Bvba | Regulated current mirror |
RU2346383C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
RU2365969C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
-
2013
- 2013-11-12 RU RU2013150268/08A patent/RU2544780C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7463013B2 (en) * | 2004-11-22 | 2008-12-09 | Ami Semiconductor Belgium Bvba | Regulated current mirror |
RU2339156C2 (en) * | 2006-08-23 | 2008-11-20 | Силикон Точ Текнолоджи Инк. | Circuit of current mirror with automatic band switching |
RU2346383C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
RU2365969C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Current mirror |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Blalock et al. | Body-driving as a low-voltage analog design technique for CMOS technology | |
EP3113359B1 (en) | Amplifier arrangement | |
CN101963819A (en) | Reference voltage circuit and electronic device | |
KR101618069B1 (en) | Differential amplifier | |
KR101163457B1 (en) | Low Voltage Regulated Cascade Circuits and CMOS Analog Circuits | |
KR20180004268A (en) | Reference voltages | |
CN107810421B (en) | Voltage monitor | |
US7786799B2 (en) | Trimming technique for high voltage amplifiers using floating low voltage structures | |
TWI632773B (en) | Low power consumption power-on reset circuit and reference signal circuit | |
KR20160104567A (en) | Reference voltage circuit and electronic device | |
TW201838327A (en) | Transconductance amplifier | |
CN111295838B (en) | Differential input stage | |
US9473122B1 (en) | Rail-to-rail input stage circuit with constant transconductance | |
KR101352410B1 (en) | Method for nullifying temperature dependence and circuit therefor | |
RU2544780C1 (en) | Low-voltage cmos current mirror | |
CN109582077B (en) | Low-power-consumption power supply start-reset circuit and reference signal circuit | |
CN110445482B (en) | Comparator with low power consumption and high slew rate | |
US20180120887A1 (en) | High Precision Voltage Reference Circuit | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
EP2824534A2 (en) | Bulk-modulated current source | |
Bansal et al. | A novel current subtractor based on modified wilson current mirror using PMOS transistors | |
RU139042U1 (en) | DIFFERENTIAL CMOS AMPLIFIER | |
CN103618543A (en) | High-speed CMOS buffer with TTL level input | |
Chakraborty et al. | A 6nW CMOS operational amplifier for bio-medical and sensor applications | |
Harijan et al. | Design of a low voltage low power cmos current mirror with enhanced dynamic range |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201113 |