Токовые зеркала
Токовые зеркала широко используются в схемах различных источников, поэтому важно рассмотреть принципы их построения и функционирования. На рисунке 7.2 показано простейшее КМОП токовое зеркало.
Рис.7.2: Простейшее токовое зеркало.
Основной функцией токового зеркала является прием входного тока и его отображение с некоторым коэффициентом на выход. Для КМОП токовых зеркал характерно то, что их входное сопротивление фактически бесконечно, так как затворные токи МОП транзисторов находятся в районе пикоампер, поэтому нет потерь входного тока в зеркале в отличие от биполярных схем. Но зато ключевым параметром любого КМОП токового зеркала является зависимость выходного тока от напряжения на стоке. Важно отметить, что транзисторы также имеют врожденный эффект Эрли, называемый модуляцией длины канала для МОП приборов, одним из следствий которого является уменьшение выходного сопротивления зеркала. Поэтому, изменение выходного тока обычно описывается выходным сопротивлением токового зеркала, причем, чем меньше это сопротивление, тем больше чувствительность выходного тока к напряжению на выходе. Это изменение выходного тока можно не учитывать в ряде ИС, но только не в источниках, где даже малое изменение тока может играть значительную роль.
Простые зеркала
Как было отмечено выше, определяющим источником ошибок в КМОП токовых зеркалах является модуляция длины канала (λ),
(7.14)
где
- сток-истоковый ток и
- ток насыщения.
Ниже приведено основное
уравнение для МОП токовых зеркал, которое
используется для определения выходного
тока простого КМОП токового зеркала
(
)
через его входной ток:
(7.15)
Как видно из данной формулы, выходной ток простого токового зеркала не равен в точности его входному току, являясь в действительности функцией обеих его сток - истоковых напряжений. Поэтому наиболее часто используются каскодные токовые зеркала, которые дают более точный результат.
Каскодные зеркала
Превращение простого токового зеркала в каскодное показано на рисунке 7.3.
Рис.7.3: Каскодное токовое зеркало.
Каскодное соединение транзисторов добавляется в токовое зеркало для того, чтобы гарантировать, что сток-истоковые напряжения как входных, так и выходных транзисторов одинаковы, а следовательно, практически устраняется модуляция длины канала и эффект Эрли в КМОП зеркале. Напряжение на затворах этих транзисторов – это статическое напряжение смещения, которое может быть получено при помощи протекания тока через резистор и/или транзистор в диодном включении. Т.о., результирующее выходное сопротивление токового зеркала возрастает, за счет устранения эффекта Эрли. В частности, оно увеличивается за счет образования взаимной проводимости и выходного сопротивления каскадного устройства в случае КМОП схем. Следовательно, получается значительно улучшенное соотношение между входным и выходным токами, в результате чего выходной ток практически не зависит от сток - истокового напряжения.
Источники тока
Большинство источников опорного напряжения разрабатываются с использованием и зависят от источников тока. Источник тока не должен быть температурно-независимым; однако, его температурный дрейф должен быть хорошо характеризуем и контролируем. Абсолютное значение интегрального источника тока по существу является переменной, так как в конечном счете он основан на использовании интегрального резистора, который имеет технологический разброс значений в районе 10 – 20%. Наиболее часто используемым источником током является так называемый PTATток – то есть ток, линейно пропорциональный температуре. Популярность этого источника обусловлена тем, что он является практичным, предсказуемым и линейным в широком диапазоне токов. На практике также используются и температурно-независимые источники тока. Эти токи получают либо на основе готовых источников опорного напряжения, либо путем соответствующего комбинирования температурно-зависимых токов. Другими полезными источниками тока являютсяPTAT2источники, в которых ток пропорционален квадрату температуры. Такие источники тока используются при построении источников опорного напряжения второго порядка. Далее рассматриваются принципы построения КМОП источников тока.