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低压共源共栅电流镜(下图)的演化之路:
很明显,根据饱和区的电流电压平方律关系,大家都知道连接成二极管形式的mos管可以做简单的电流镜电路(下图):
但是在短沟道器件(比如22 nm ,28nm)中,饱和区平方律关系不能保证,电流受Vds的影响,这个时候就要采用cascode电流镜(下图),此时M0和M3的栅压相同,其电流比和宽长比的比例是一致的,所以源级要保持一致,即X,Y电压要一致。可能有人要问,M3不会受沟长调制效应吗,VP变化可能导致VY变化,从而X与Y点电压不一致。
无论P点的电压如何变化,Y点的电压几乎不变,这是CG级对CS级的隔离效果。原因是电流复制主要受M1和M2的复制比决定,电流不变,栅压一样,漏压自然不能变化。但代价呢?代价是(下图)VP点会损失掉一个阈值电压的电压裕度。左图VP最小是(VGS3-VTH3)+(VGS2-VTH2) ,两个过驱动电压,右图VP最小是(VGS3-VTH3)+VGS1,缺就缺在了X和Y相同上,所以右图是VDS2=VGS1,而左图可以是VDS2=VGS1-VTH2=VGS2-VTH2, Vb最小是VGS3+VY=VGS3+(VGS2-VTH2)。
在工艺尺寸和电压都在scaling的情况下,一个阈值电压的损耗已经接受不了了,所以低压共源共栅电流镜就应运而生了。第一种:
R1精心选取,从而R1上承担阈值电压大小的电压,这样M1上的电压VDS就是VGS1-VTH1 了。存在的问题是电阻的PVT波动大,很难电阻上的电压一直保持为阈值电压。好了,绕了一圈,主角出场了。
第一,很明显它能抑制沟长调制效应,A,B两点电压保持一致;第二,Vx的电压受Vb的影响,Vx>Vb-Vth0,Vb<VGS1+VTH0, Vb=VGS0+VA>VGS0+(VGS1-VTH1),Vb最小值造成的Vx依旧是两个过驱动电压,所以没有多一个阈值电压的损耗。要求呢? VGS0+(VGS1-VTH1)<VGS1+VTH0 ,结果是要求VGS0-VTH0<VTH1。必须调整M0的尺寸使其的过驱动电压远小于VTH1。
至此,结构大成。