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NMOS Parallel Transistor Realization : |
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r ac |
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Voltage-Current Characteristic : |
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1mA
I(VSENSE) |
0 |
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-2mA
-2
Vc=7V 6V
5V
W=15u |
4V |
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L=3u |
3V |
VBS= 5.0V |
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-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 |
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P-Channel Extended Range Active Resistor Circuit
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vAB |
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+ |
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M3B |
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V |
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C |
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VSS
Voltage Current Characteristics
100uA 4V
5V
60uA
3V
20uA |
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Vc=2V |
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i AB |
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- 20uA |
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- 60uA |
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-4 -3 -2 -1 |
0 1 |
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3 |
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VAB |
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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 |
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Assume the MOSFET's are in the non-saturation region |
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)(v |
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= β (V |
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)2 |
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-V |
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- v |
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Rewrite as |
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-V |
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- 2v |
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+ v |
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= β (V |
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-V |
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)(-v |
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- v |
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) - |
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(v |
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+ 2v |
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v |
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+ v |
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) - |
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v |
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+v |
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2-2v |
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-v |
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i1 - i2 = 2β [ (VC - VT)v1 - 2v1v2 + 2v1v2 ] |
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Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design |
Page V.2-8 |
Single-MOSFET, Differential Resistor Realization
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r ac/2 |
v1 |
v2 |
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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
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iD1 |
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iD2 |
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R |
v |
+ |
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v |
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v1 |
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+ |
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v2 |
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- |
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v |
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v |
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i2 |
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R |
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iD3 |
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v2 |
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iD4 |
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D2 |
= β (V |
C2 |
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|
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)