电流镜,运放,比较器等管子的尺寸选取,静态分析,Vdsat和mismatch的关系
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摘自:电流镜,运放,比较器等管子的尺寸选取,静态分析,Vdsat和mismatch的关系
电流镜,运放,比较器等基本的模拟电流模块,一般没有速度的要求,管子尺寸可以取很大(面积允许的前提下)。故本文讨论是长沟道的管子,不涉及短沟道效应。
管子的Chanel length取很大的目的。一般的讲法,电流镜要满足精确复制电流,管子的channel length一般取的比较大,vdsat就大,复制精度高。但真正的原因是什么?
在电流源和电流镜中,涉及的参数都应尽可能保持一致,这样就可以得到高精度的电流复制。参数包括迁移率u, 单位栅氧化层电容Cox, 晶体管尺寸W/L, Vgs-Vth. 迁移率u, 单位栅氧化层电容Cox的偏差主要受工艺制程的影响。而为了减小晶体管尺寸W/L的失配mismatch,可以增加尺寸,以及版图layout做特殊处理,比如叉指布局,增加dummy管等。最后,如何减小Vth的失配mismatch呢?
电路是可以很容易做到电流源和电流的Vgs相同。但是Vth的偏差却难以消除。一般做法只有增加Vgs-Vth,让这个整体的值取大,以降低Vth偏差带来的影响。那实际上就是增加Vgs. 当电流镜的电流是确定的,要增加Vgs, 只有减小W/L, 即W越小,L越大越好。L越大,沟道开始夹断对应的Vgs-Vth就越大,这其实就是定义的Vdsat呀。在长沟道器件中,当Vds等于Vgs-Vth时,沟道开始夹断,这时的Vds被定义为Vdsat. 所以,业界有流行的说法,电流镜的Vdsat取150mV左右。这就是通过看管子的静态参数Vdsat,反推出管子的尺寸取的是否合适,Vth偏差的影响是否达到可接受的程度。
当然,从实际考虑,并非是W越小,L越大越好。一方面工艺制程精度的限制W不可能无限小,面积的限制L不可能无限大。另一方面,也是最重要的原因,L很大的话,Vdsat也就很大,那么要让这个管子工作在饱和区就需要很大的Vds, 对于先进制程低电压的情况,这是很难做到的。
对于运放和比较器,失调电压是一个很重要的指标。失调电压主要受两方面影响,一是第一级的输入对管的mismatch,包括了尺寸mismatch和Vth mismatch. 做法可参照前面所述。二是后一级的失调折算到输入端,这时候第一级的增益gain就起到很大的作用,增益越大,后一级折算到输入端的失调就越小。当电流确定时,如何增加增益。唯有增加W/L,减小Vgs-Vth。因此,折中考虑后trade-off,第一级输入对管的尺寸取的相当的大。
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