Un alto rendimiento para los diseños de espejo de corriente de baja tensión

Un alto rendimiento para los diseños de espejo de corriente de baja tensión
A high performance current mirror for low voltage designs Un alto rendimiento para los diseños de espejo de corriente de baja tensión
SS Rajput* and SS Jamuar Rajput * SS y SS Jamuar
Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Instituto Indio de Tecnología. Hauz Khas. Hauz Khas. DELHI - 110016 DELHI - 110016
*E-inail; * E-INAIL;
Abstract Resumen
A novel current mirror, having high input and Una novela espejo actual, con aportación de alto y
output voltage wing capabiliy and which can operate at tensión de salida del ala capabiliy y que puede operar a
31.0 V supply, is proposed P-SPICE simulations confirm Suministro de 31,0 V, se propone P-SPICE simulaciones confirman
the input current range of I ,u4 to 500 ,u4 with 2 GHz el actual rango de entrada de I, u4 a 500, con 2 GHz u4
bandwidth, Resistive and capacitive compensation are , Resistiva y capacitiva de compensación de ancho de banda se
introduced to increase the bandwidth. introdujo para aumentar el ancho de banda.
I. Introduction I. Introducción
Recently, low power (LV) and low voltage (LP) Recientemente, energía baja (LV) y baja tensión (NA)
analog and mixed mode circuits lad gained importance. y se mezcla el modo analógico muchacho circuitos más importancia. It Lo
is predicted that these circuits will require power supplies Se prevé que estos circuitos se requieren fuentes de alimentación
of 1 V or less | [I] in future. 1 V o menos [| de la I] en el futuro. LP and thereby LV is the LP y por lo tanto es el LV
ultimate goal to reduce power consumption in peripheral objetivo final de reducir el consumo de energía en las regiones periféricas
system such as the one required for instruments cooling. sistema como el requerido para los instrumentos de refrigeración.
A current tthor (CM) is an integral part of all Un tthor actual (CM) es una parte integrante de todos los
analog VLSI circuits, All CMs reported so far [2-5] analógica circuitos VLSI, Todos los CMs comunicadas hasta la fecha [2-5]
though have high output voltage signal swings, they aunque tienen gran potencia de la señal oscilaciones de tensión, que
require a minimum input voltage (v,,,) of at least one requieren un voltaje mínimo de entrada (v,,,) de al menos un
threshold (V umbral (V
t t
4.75V). 4.75V). This voltage is due to the Esta tensión se debe a la
traditional diode connected contigumtion of the input diodo tradicionales relacionadas contigumtion de la entrada
MOSFET in almost all CMs. MOSFET en casi todos los CMS. In those LV applications in En aquellas aplicaciones en LV
whch large input voltage (v,,) swings are required, a gran tensión de entrada whch (v,,) se requieren cambios, una
conventional CM with nunimwn v,, of 0.75V becomes CM convencionales con v nunimwn, de 0.75V se convierte en
unsuitable. inadecuado. This generates a need to investigate into new Esto genera una necesidad de investigar en nuevos
circuit teclmiques for designing LVCMs with high signal teclmiques circuito para el diseño de LVCMs con señal de alta
swings botli at the input and output nodes. botli cambios en la entrada y salida de los nodos. A few LVCM A pocos LVCM
topologies have been reported [G-7]. topologías se han reportado [G-7]. They use either level Ellos usan ya sea a nivel
shifter approach or a bulk driven MOSFETs [I] and palanca de cambios o un planteamiento impulsado a granel MOSFETs [I] y
suffer either from low input current range (1, sufren ya sea de la corriente de entrada de gama baja (1,
4 4
50 pA) or 50 Pa) o
low bandwidth (400 MHz). ancho de banda bajo (400 MHz).
In this paper, we present a novel LVCM which En este artículo se presenta una novela que LVCM
lave v,, of €0.8 V for I v lava,, de € 0,8 V I para
l l
n ranging from I pA to 500 pA. It n que van desde la I a 500 pA pA. Se
has high output impedance (R tiene una impedancia de salida de alta (R
ou ou
pl.O Mn). pl.O Mn).
Resistive Resistiva
18.91 and capacitive compensation are used for improving 18,91 y compensación capacitiva se utilizan para mejorar la
the bandwidth. el ancho de banda. with the ultlinate bandwidth of 2.0 GHz. con el ancho de banda de 2,0 GHz ultlinate.
II. II. CM structures CM estructuras
A Conventional CM structures Un CM estructuras convencionales
A conventional CM is shown in Fig. Un CM convencional se muestra en la figura. 1. 1. M1 is used M1 se utiliza
in diode connected configuration and v,, is required to conectados en configuración de diodo y V,, es necesario para
pump Ii, into the input port. bomba de II, en el puerto de entrada. Here, v,, depends solely on Aquí, v,, depende únicamente de
the biasing conditions of MI, which operates in las condiciones de polarización de infarto de miocardio, que opera en
saturationmode. saturationmode. Its trans-conductance (g Su transconductancia (g
ml ml
) decides the ) Decide el
input inipedance (R,,). For this structure vi,, is given by inipedance de entrada (R,,). Por esta vi estructura, está dada por
Lower limit of v Límite inferior de v
i yo
, is restricted to TV , Se limita a la televisión
M1 M1
lout V gamberro V
M2 M2
Vss Vss
Fig.1 Conventional CM Fig. 1 CM convencionales
B. Proposed LVCM structure B. Proyecto de estructura LVCM
The proposed LVCM (Fig. 2) uses MI and M2 as La propuesta de LVCM (Fig. 2) utiliza como MI y M2
in Fig. en la figura. 1. 1. The level shifter M4 is operated in sub El cambiador de nivel M4 se opera en el África
threshold region by selecting low bias current I umbral de la región mediante la selección de corriente bajo el sesgo que
blosl blosl
. .
Second level shifter M5 provides suitable bias to M3, Segundo nivel de M5 palanca de cambios ofrece sesgo adecuado a M3,
which is used to enhance the output impedance (R,,). I,, que se utiliza para aumentar la impedancia de salida (R,,). Yo,,
flowing through MI is transferred to M2. R,,,, R,, and v,, fluye a través de MI se transfiere a M2. R,,,, R, y V,,
are given by están dadas por
v..= .\H/s. v. .=. \ H / s. + AV. AV +.
L L
-\V - V \
r r
\ \
(2) (2)
(3) (3)
(4) (4)
g g
m4 m4
, g , G
mi mi
have tener
Sdl Sdl
where /), g&, g donde /), g &, g
d3 d3
, g , G
i4 i4
, g , G
ds ds
, g , G
ml ml
, g , G
m2 m2
, ,
usual meanings and V significado usual y V
x x
is given as : se da como:
170 170
Page 2 Página 2
(5 ) (5)
The mini " output voltage of the proposed El mini "tensión de salida de la propuesta de
LVCM is given by LVCM viene dada por
v v
ou ou
, (min) « VftHrif+V&nnQ (Min) "VftHrif + V & nnQ
(6) (6)
For sufficiently high g1 (Iz"O.001) and ilnity dc Por lo suficientemente alta g1 (Iz "O.001) y CC ilnity
gain, current transfer can be given as: ganancia, la transferencia de corriente puede ser la siguiente:
(7) (7)
Sd\ Sd \
Fig. La figura. 2. 2. Proposed LVCM Propuesto LVCM
C. Compensation techniques C. Compensación técnicas
R R
g g
enhances the frequency response [8,9]. mejora la respuesta de frecuencia [8,9].
Comparison of eq. La comparación de la ecuación. (23) with the standard second order (23) con la norma de segundo orden
equation yields the damping factor 4, as: los rendimientos de la ecuación el factor de atenuación 4, como:
0.5 0,5
1 + 1 +
Sd\Sl Sd \ Sl
(-' gdi (- "Gdi
^ ^
S S
d\ d \
(8) (8)
(9) (9)
For R Para R
g g
= 0 Q g =cc (eq. 28) and £ is infinite and = 0 g = Q cc (ec. 28) y £ es infinito y
the system operates in over damped mode. el sistema funciona en más de amortiguamiento modo. Decrease in gl Disminución de los gl
forces 4 to move towards 1 resulting the system to move 4 fuerzas para avanzar hacia un resultado del sistema para mover
towards critically damped inode and the bandwidth hacia críticamente amortiguado inodo y el ancho de banda
improves. mejora. As g1 decreases further, system enters into Como g1 disminuye aún más, el sistema entra en
under damped mode, which results in overshoots in en el modo de amortiguamiento, que se traduce en rebasamiento de la
frequency response. respuesta en frecuencia. The value of gl for maxiinurn El valor de gl para maxiinurn
bandwidth without overshoots is given as: ancho de banda sin rebasamiento se da como:
o / ^ ll o / ll ^
lSm4 lSm4
n n
Sd\ „•, Sd \ "•,
(10) (10)
With additional external capacitance (G Con capacidad adicional externa (G
) )
(Fig. (Fig.
2), effective input capacitance (G,,) decreases (eq. 9) 2), capacidad de entrada efectiva (G,,) disminuye (ec. 9)
which enhances the bandwidth. que mejora el ancho de banda.
D. Offset current D. Desplazamiento actual
I Yo
o o
f f
i yo
,,, is the most critical factor in LVCMs and sets ,,, Es el factor más crítico en LVCMs y establece
the lower limit for el límite inferior para
I Yo
,. Due M4, the gates of M1 and M2 ,. M4 Due, las puertas de M1 y M2
are not at reference potential even when 11,, is zero. no son posibles en la referencia, aun cuando 11,, es cero. The El
gate of M2 is at elevated voltage and its drain voltage puerta de la M2 es elevada a la tensión y la tensión de drenaje
depends on externally applied voltage (the drain voltage depende de la tensión aplicada externamente (la tensión de drenaje
of MI is decided by I,,). de infarto de miocardio se decide por I,,). Hence a sub threshold current Por lo tanto un umbral actual sub
will flow in M2 when I,,, equals zero. fluirá en M2 cuando yo,,, es igual a cero. This current is Esta corriente es
known as offset current, and is given by conocido como desplazamiento actual, y está dada por
(11) (11)
Eq. La ecuación. (11) indicates that Io& (11) indica que Io &
c c
, can be tailored , Se puede adaptar
according to the designers' need through the appropriate de acuerdo a los diseñadores necesitan a través de la adecuada
selection of W, and L. Threshold voltage mismatch AV, selección de W, y L. Umbral desfase tensión AV,
(=V (V =
tp tp
- Vt,,) depends on particular CMOS technology. - V,,) depende de la tecnología CMOS en particular. Even Incluso
if the threshold voltages of PMOS and NMOS are si las tensiones umbral de OGP y son NMOS
matched I,flSetcan not be reduced to zero. emparejado I, flSetcan no se reducen a cero. The lower limit El límite inferior
of the lortM is de la lortM es
j j
- -
W W
2 2
" 4 "4
* *
j j
l l
bias\ \ Sesgo
DO* NO *
Appropriate values for WIL of M2 and M4 and Los valores apropiados para WIL de M2 y M4 y
low I bajo que
bluS Blus
l ensure lower I l garantizar inferior I
oet oet
. .
E. Sensitivity unulysk E. Sensibilidad unulysk
In case of proposed LVCM, sensitivity analysis is En el caso de la propuesta de LVCM, el análisis de sensibilidad es
used to ascertain the effects of variations in input utilizados para determinar los efectos de las variaciones en la entrada
parameters and process parameters like Ib parámetros y los parámetros de proceso como Ib
ior ior
l, V,, WIL, and l, V,, WIL, y
AV, of PMOS and NMOS, over its performance. I AV, de OGP y NMOS, sobre su rendimiento. I
Ou Ou
I when I cuando
MI and M2 operate in saturation region is given as: MI y M2 operan en la región de saturación se da como:
The sensitivities of /„„/ with respect to various La sensibilidad de los / "" / con respecto a varios
parameters are given as following: parámetros se dan de la siguiente manera:
s'c*v s'c v *
M M
(U) (U)
„/.. "/ ..
1 1
^2 ^ 2
^ 4 ^ 4
Sn Sn
(15) (15)
(16) (16)
171 171
Page 3 Página 3
- l - L
2V 2V
M M
K K
3 3
' '
V V
<pi pi <
J J
<r <R
'-•1 * ml '- • 1 ml *
8ml 8ml
(17) (17)
(18) (18)
(19) (19)
(20) (20)
2F 2F
where K donde K
Z Z
' is trans-conductance parameter »Se trans-conductancia parámetro
(,UC,) (UC),
for M2. para M2.
The sensitivity analysis carried out using p8pice circuit El análisis de sensibilidad realizados mediante circuito p8pice
simulator shows that the variations in output current due simulador muestra que las variaciones en la corriente de salida por
to the change in input variables are almost negligible. al cambio en las variables de entrada son casi insignificantes.
F. Temperature eflects F. Temperatura eflects
Temperature analysis gives the relationship análisis de la temperatura da la relación
between I entre I
mt mt
and temperature. y la temperatura. For a MOSFET the Para un MOSFET de la
temperature dependent parameters are the mobility Q temperatura de los parámetros dependientes de la movilidad Q
and threshold voltage v y el umbral de tensión v
t t
which are given as: que se dan como:
p p
(T)=p (T) = p
O O
T- T-
3 3
' '
2 2
• •
. .
(22) (22)
V V
t t
(T) = v (T) = v
t t
(T (T
o o
)-a(TT )-Un TT (
o o
) )
(22) (22)
where p(T donde p (T
0 0
)=400 cm'V's" and a=2.3mVl°C. ) = 400 cm'V "y a = 2.3mVl ° C.
Assuming the temperature changes in AV, to be Suponiendo que los cambios de temperatura en AV, que se
neghgible (a neghgible (un
n n
=a = A
t t
,), we get the fractional temperature ,), Obtenemos la temperatura fraccional
coefficient (TC coeficiente (TC
f f
) as: ) Como:
TC TC
f f
(I,,,)--1.5 (I ,,,)-- 1,5
(23) (23)
From eq. De la ecuación. (23) TC,(l (23) TC, (l
mJ mJ
equals -5Wppm/"C at 300 es igual-5Wppm / "C a 300
K, which is fairly low value for current sources. K, que es de bajo valor bastante para las fuentes actuales.
1.5 1,5
1 1
s s
1.0 1,0
las Las
I Yo
0.0 0,0
1-Co 1-Co
•2 • 2
- PIT - PIT
iventiom iventiom
iposedL\ \ IposedL

• •
1 1
2 2
0.0 0,0
0.1 0,1
0.2 0,2
0.3 0,3
0.4 0,4
0.5 0,5
Input current in mA Corriente de entrada en mA
 Inputvoltagecharactemtics 3 Inputvoltagecharactemtics
0.5 0,5
0.5 0,5
0.3 0,3
0.2 0,2
0.1 0,1
0.0 0,0
0.0 0,0
0.5 0,5
0.1 0,1
0.2 0,2
0.3 0,3
0.4 0,4
Input current in mA Corriente de entrada en mA
Fig. La figura. 4 Current transfer characteristics Características de transferencia actual 4
in. Simulation results pulg resultados de la simulación
The proposed circuits were simulated for 0.8-pn Los circuitos propuestos fueron simulados para 0,8-pn
technology with level 3 parameters with transistor aspect tecnología con los parámetros de nivel 3 con el aspecto de transistores
ratios of table I. I coeficientes de la tabla I.
brssl brssl
and IbtasZwere taken to be lO0pA y IbtasZwere toma como lO0pA
Table I Transistors' aspect ratios (WL) I Transistores aspecto "relaciones de la tabla (WL)
MOSFETs MOSFETs
M1,M2 M1, M2
M3 M3
M4 M4
M5 M5
M6 M6
M7.M8 M7.M8
M9 M9
TYPE TIPO
NMOS NMOS
NMOS NMOS
PMOS OGP
PMOS OGP
NMOS NMOS
PMOS OGP
PMOS OGP
CMs CM
1,2,3,4 1,2,3,4
3,4 ' 3,4 '
2,3,4 2,3,4
3,4 3,4
4 4
4 4
4 4
Aspect ratios Las relaciones de aspecto
CW/L) uni/um CW / L) uni / um
48/1.6 48/1.6
48/0.8 • • 48/0.8
12 /0.8 12 / 0,8
12 /0.8 12 / 0,8
4.8/1.6 4.8/1.6
48 /0.8 48 / 0,8
0.8/16 0.8/16
and 10 pA respectively and the supply voltage of f 1.OV y 10 pA respectivamente, y la tensión de alimentación de f 1.OV
were assumed. fueron asumidas. The small signal input impedance for the La pequeña señal de impedancia de entrada para el
03 03
1 1
u u
• •
-1s -1s
1— No cimpt 1 - No cimpt
2-OnlyR 2-OnlyR
3-OnlyC 3-OnlyC
4-kandi; 4-kandi;
isation ción
2 2
10 10
100 100
loo0 loo0
loo00 loo00
Frequency in MHz Frecuencia en MHz
Fig. La figura. 5 EEct of Compensation on bandwidth 5 EEct de Compensación del ancho de banda
circuit was found to be 650 R. The small signal output circuito se encontró en 650 R. La pequeña señal de salida
impedance is 3.0 MR for Z,, of 100 pA and reduces to impedancia es de 3.0 MR de Z,, de 100 pA y se reduce a
172 172

850 kiZ when I,, increases to 500 PA. The v,, versus I 850 kiz cuando yo,, aumenta a 500 PA. V El,, frente a lo
in en
clmcteristics is shown in Fig. clmcteristics se muestra en la figura. 3 in which the coinparison 3 en la que el coinparison
between both the structures are shown. entre ambos se muestran las estructuras. Clearly, v,, is Es evidente que v,, es
lower by 0.8 V when compared with conventional CM. inferior en 0,8 V en comparación con CM convencionales.
Current trader climcteristics are given in Fig. comerciante climcteristics actual se dan en la figura. 4. 4. The El
effect of various compensations on bandwidth is shown efecto de las compensaciones diferentes de ancho de banda se muestra
IV. IV. Application in VZ converter Aplicación en el convertidor de VZ
The proposed VI converter is shown in Fig. La propuesta de convertidor VI se muestra en la figura. 6 in 6 en
which MI alidW2 are assumed to be operating in MI alidW2 que se supone que operan en
saturation, The output current i saturación, la salida de corriente i
c c
will then be the a continuación, será el
difference of i diferencia de i
Dl DI
and i y yo
D2 D2
and is given by y está dada por
i yo
C C
"P2v "P2V
d d
d(y d (y
n n
-v -V
t t
n) n)
(24) (24)
and for y para
& Y
= D = D
p p
2= A V 2 = A V
M M
=V V =
llt LLT
-V -V
n n
, li , Li
n n
2=V 2 = V
tn tn
-V and Vdp- -V y VDP-
VSs, ic varies linearly with K,,, Tlie scaling of the trans- VSS, IC varía linealmente con K,,, Tlie ampliación de la red transeuropea
conductance can be done by appropriate selection of p conductancia se puede hacer una selección adecuada de p
and/or supply voltages. y / o tensiones de alimentación.
Vin Vin
Simulation Simulación
lin lin
Vss Vss
Fig. La figura. 6. 6.
Results Resultados
PMOS OGP
Vdd Vdd
X X
LVCM LVCM
• lou t • t LOU
lout+ + Patán
Iin Een
+ lou t + T LOU
I Yo
NMOS LVCM NMOS LVCM
1 1
Proposed VI converter Propuesto VI convertidor
P-Spice simulations were carried out for aspect P-Spice simulaciones se llevaron a cabo para el aspecto
ratios of 7.2 pnd0.8 pi and 24 pndO.8 pni for M1 and ratios de 7,2 pnd0.8 pi y pndO.8 PNI 24 para M1 y
M2 respectively. M2, respectivamente. I,,, versus input voltage characteristics Yo,,, frente a las características de entrada de voltaje
is depicted in Fig. se representa en la figura. 7 in which its rail to rail input voltage 7 en el que su barra de tensión de entrada por ferrocarril
swing capability is evident. capacidad de oscilación es evidente. The ac characteristics of the Las características de la corriente alterna
proposed trans-conductor is shown in Fig. propone trans-conductor se muestra en la figura. 8. 8.
V. Conclusion V. Conclusión
A LVCM with high input and output voltage Un LVCM con entrada de alta tensión de salida y
0.5 0,5
0.0 0,0
-0.3 -0,3
.1 0 0.1 0
- " " " - "" "
-1.0 . -1,0.
a 5 un 5
0.0 0,0
0.5 0,5
Input voltage in volts Tensión de entrada en voltios
 VI characteristics of the proposed VI converter 7 VI características de la propuesta de convertidor V
http://translate.google.co.ve/translate?hl=es&langpair=en|es&u=http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download%3Fdoi%3D10.1.1.130.379%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf