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Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

 

Page V.2-5

NMOS Parallel Transistor Realization :

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

D1

i

D2

 

i

-

 

 

 

 

 

i

 

 

i2

 

 

VC

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

G2 +

r ac

G1

 

 

 

 

 

M1

 

 

 

 

VC

v

 

 

v VSS

 

M2

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

S1

S2

 

-

_

 

Voltage-Current Characteristic :

 

2mA

1mA

I(VSENSE)

0

 

-1mA

-2mA

-2

Vc=7V 6V

5V

W=15u

4V

 

L=3u

3V

VBS= 5.0V

 

-1

0

1

2

VDS

NMOS parallel transistor realization M1 2 1 0 5 MNMOS W=15U L=3U M2 2 4 0 5 MNMOS W=15U L=3U

.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.75, KP=25U, LAMBDA=0.01, GAMMA=0.8 PHI=0.6

VC 1 2

E1 4 0 1 2 1.0 VSENSE 10 2 DC 0 VDS 10 0

VSS 5 0 DC -5

.DC VDS -2.0 2.0 .2 VC 3 7 1

.PRINT DC I(VSENSE)

.PROBE

.END

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.2-6

P-Channel Extended Range Active Resistor Circuit

 

vAB

 

 

iAB

 

VDD

 

 

 

M2A

 

 

M2B

 

+

M1A

+

 

V

 

 

 

VC

 

-C

 

 

 

 

M1B

 

 

 

-

M3A

+

 

M3B

 

V

 

 

-

C

 

VSS

Voltage Current Characteristics

100uA 4V

5V

60uA

3V

20uA

 

Vc=2V

 

i AB

 

 

 

- 20uA

 

 

 

- 60uA

 

 

 

-100uA

 

 

 

-4 -3 -2 -1

0 1

2

3

 

VAB

 

 

P-Channel Extended Range Active Resistor M1A 3 4 5 10 MPMOS W=3U L=3U

M1B 3 6 5 10 MPMOS W=3U L=3U

M2A 10 3 4 4 MNMOS W=3U L=3U

M2B 10 5 6 6 MNMOS W=3U L=3U M3A 4 7 0 0 MNMOS W=3U L=3U

M3B 6 7 0 0 MNMOS W=3U L=3U

VSENSE 1 3 DC 0V

VC 7 0 VAB 1 5

VDD 10 0 DC 5V

.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.75, KP=25U

+ LAMBDA=0.01, GAMMA=0.8 PHI=0.6

.MODEL MPMOS PMOS VTO=-0.75 KP=8U +LAMBDA=0.02 GAMMA=0.4 PHI=0.6

.DC VAB -4.0 4.0 0.2 VC 2 5 1

.PRINT DC I(VSENSE)

.PROBE 4 .END

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page V.2-7

THE SINGLE MOSFET DIFFERENTIAL RESISTOR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VC

 

 

 

 

 

 

 

v1

 

i1

 

R

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v1

 

 

i1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Assume the MOSFET's are in the non-saturation region

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

- v

 

-V

 

 

)(v

 

 

 

- v

 

 

 

 

1

 

(v

 

 

 

 

- v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

= β (V

C

2

T

1

 

2

) -

2

 

1

 

2

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

- v

 

-V

 

 

)(-v

 

 

- v

 

 

) -

1

 

(-v

 

- v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

= β (V

C

2

T

1

2

2

1

2

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rewrite as

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

- v

 

-V

 

 

)(v

 

 

 

- v

 

 

 

 

1

 

(v

 

 

2

- 2v

 

v

 

 

+ v

 

 

 

 

 

 

 

1

= β (V

C

2

T

1

 

2

) -

2

 

1

1

2

2

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

- v

 

-V

 

 

)(-v

 

 

- v

 

 

) -

1

 

(v

 

 

 

2

+ 2v

 

v

 

+ v

 

 

 

 

 

 

2

= β (V

C

2

T

1

2

2

1

1

2

2

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

- i

 

 

 

 

 

 

-v

 

-V

 

 

)(2v

 

) -

1

(v

2-2v

 

v

 

 

+v

 

 

2-v

 

2-2v

 

v

 

-v

 

 

1

2

= β (V

C

2

T

1

2

1

2

 

 

 

1

2

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

i1 - i2 = 2β [ (VC - VT)v1 - 2v1v2 + 2v1v2 ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v1-(-v1) 2v1

 

 

 

 

 

 

2v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2R =

i1-i2

 

= i1-i2 = 2β(VC-VT)v1 = β(VC-VT)

 

 

 

 

 

 

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R =

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2K L

(VC-VT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

1

C

 

- V

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.2-8

Single-MOSFET, Differential Resistor Realization

i1

r ac/2

v1

v2

 

r ac/2

- v1

v2

i2

R

Voltage-Current Characteristics

1.0mA

0.6mA

0.2mA

ID(M1)

-0.2mA

-0.6mA

-1.0mA

VC i1

v1 v2

VCC

- v1 v2 i2

VC

VC= 7V 6V

5V

4V 3V

-2

-1

0

1

2

V1

Single MOSFET Differential Resistor Realization M1 1 2 3 4 MNMOS1 W=15U L=3U

M2 5 2 3 4 MNMOS1 W=15U L=3U VC 2 0

VCC 4 0 DC -5V V1 1 0

E1 5 0 1 0 -1

.MODEL MNMOS1 NMOS VTO=0.75 KP=25U +LAMBDA=0.01 GAMMA=0.8 PHI=0.6

.DC V1 -2.0 2.0 0.2 VC 3 7 1

.PRINT DC ID(M1)

.PROBE

.END

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design Page V.2-9

The Double MOSFET Differential Resistor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VC1

i1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD2

 

i1

 

R

v

+

 

 

 

 

 

 

 

 

v

v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VC2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

i2

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iD3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

iD4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VC1

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v) -

1

(v

 

 

 

D1

= β (V

C1

T

1

2

1

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v) -

1

(v

 

 

 

D2

= β (V

C2

T

1

2

1

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v) -

1

(v

 

 

 

D3

= β (V

C1

T

2

2

2

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v) -

1

(v

 

 

 

D4

= β (V

C2

T

2

2

2

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

=i

 

+i

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v)-

1

(v

 

-v)2+(V

 

-v-V

 

)(v

 

-v)-

1

(v

 

 

 

 

1

D1

D3

=β (V

C1

T

1

2

1

C2

T

2

2

2

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

=i

 

+i

 

 

 

-v-V

 

)(v

 

-v)-

1

(v

 

-v)2+(V

 

-v-V

 

)(v

 

-V)-

1

(v

 

 

 

2

D2

D4

=β (V

C2

T

1

2

1

C1

T

2

2

2

-v)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i1

- i2 =

β[(VC1-v-VT)(v1-v) + (VC2-v-VT)(v2-v)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-(VC2-v-VT)(v1- v) - (VC1-v-VT)(v2-v)]

=β[v1(VC1-VC2) + v2(VC2-VC1)] = β(VC1-VC2)(v1-v2)

Rin =

v1-v2

 

v1-v2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

β(VC1-VC2)(v1-v2)

 

=

KW

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i1-i2

 

 

 

(VC1-VC2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

or R

 

=

 

 

1

,v

 

min [(V

 

-V

 

),(V

 

-V

 

)]

i n

KW

 

v

2

C1

T

C2

T

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

(VC1-VC2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.2-10

Double-MOSFET, Differential Resistor Realization

VC1

iD1

M1

i1

v1

 

v3

i

v1

v2

i

1

r ac/2

iD2

VSS

v3

 

 

 

M2

 

r ac/2

VC2

 

 

 

v4

 

2

R

iD3

M3

 

 

iD4

VSS

 

v2

 

v4

 

M4

i2

VC1

Voltage-Current Characteristics

150uA

 

 

100uA

VBC

=-5V

 

 

 

 

V3 =0V

50uA

VC1 =7V

 

 

I(VSENSE)

0

 

 

 

 

 

- 50uA

 

 

-100uA

-150uA

VC2 = 6V

5V

4V

3V 2V

Double MOSFET Differential Resistor Realization M1 1 2 3 4 MNMOS1 W=3U L=3U

M2 1 5 8 4 MNMOS1 W=3U L=3U

M3 6 5 3 4 MNMOS1 W=3U L=3U

M4 6 2 8 4 MNMOS1 W=3U L=3U VSENSE 3 8 DC 0

VC1 2 0 DC 7V VC2 5 0

VSS 4 0 DC -5V V12 1 6

.MODEL MNMOS1 NMOS VTO=0.75 KP=25U +LAMBDA=0.01 GAMMA=0.8 PHI=0.6

.DC V12 -3 3 0.2 VC2 2 6 1

.PRINT DC I(VSENSE))

.PROBE

.END

-3

-2

-1

0

1

2

3

V1-V2

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.2-11

SUMMARY OF ACTIVE RESISTOR REALIZATIONS

AC Resistance

Realization

Single MOSFET

Parallel MOSFET

Single-MOSFET, differential resistor

Double-MOSFET, differential resistor

Linearity

How

Restrictions

Controlled

 

 

 

 

 

Poor

VGS or W/L

vBULK < Min (vS, vD)

 

 

 

Good

VC or W/L

v ≤ (VC - VT)

 

 

 

Good

VC or W/L

|v1| < VC - VT

vBULK < -v1

 

 

Differential around v1

 

VC1 - VC2 or

v1, v2 < min(VC1-VT,

Very Good

VC2-VT)

 

W/L

vBULK < min(v1,v2)

 

 

Transresistance only

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.3-1

V.3 - CURRENT SINKS & SOURCES

CHARACTERIZATION OF SOURCES & SINKS

1). Minimum voltage (vMIN) across sink or source for which the current is no longer constant.

2). Output resistance which is a measure of the "flatness" of the current sink or source.

CMOS Current Sinks & Sources

VDD

iD +

v

VGG -

VDD

VGG

iD

+ v

-

1 rOUT = λID

iD

VG = VGG

vMIN

v

0

iD

VG = VGG

 

0

 

vMIN

 

v

 

 

 

0

VDD

 

 

vMIN = vDS(SAT.) = vON

where vON = vGS - VT

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

 

 

 

 

Page V.3-2

SMALL SIGNAL MODEL FOR THE MOSFET

 

 

 

 

 

D

G

B

 

 

 

 

D

 

 

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

B

vgs

vbs

g v

g

v

r

ds

 

 

 

m gs

mbs bs

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

 

 

S

S

 

 

 

 

 

S

gm =

 

2K'WID

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

gmbs

=

gmγ

 

 

 

 

 

 

 

2φF + |VBS |

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

rds

1

= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

gds

λID

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Page V.3-3

INCREASING THE ROUT OF A CURRENT SOURCE

MOS

 

Circuit

Small-Signal Model

 

 

 

+

 

 

 

 

 

iOUT

 

 

+

 

M2

 

 

iout

 

 

 

 

r ds2

 

 

 

gm2vgs2

 

 

vout

+

 

vOUT

gmbs2vbs2

r

 

+

 

 

-

 

r

 

 

VGG

-

vS2

-

 

 

-

 

 

Loop equation:

 

 

 

 

vout =

[iout - (gm2vgs2 + gmbs2vbs2)]rds2 + iout r

 

But, vgs2 = -vs2 and vbs2 = - vs2.

 

 

 

 

vout = [iout + gm2vs2 + gmbs2vs2]rds2 + iout r

 

Replace vs2 by ioutr-

 

 

 

 

vout =

iout [ rds2 + gm2rds2r + gmbs2rds2r + r ]

 

Therefore,

rout = rds2 + r [1 + gm2rds2 + gmbs2rds2]

MOS Small Signal Simplifications

Normally,

gm ≈ 10gmbs ≈ 100gd s

Continuing

rout rgm2rds2

rout r x (voltage gain of M2 from source to drain)

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