espejos de corriente

The bias circuit requires the following three groups of transis- El circuito de polarización requiere de los siguientes tres grupos de transistores-
tors to be identical: M4 and M10-M13, M2 and M14-M17, res que ser idénticos: M4 y M13-M10, M2 y M14 M17,
and M1, M6, and M18-M21. y M1, M6, M18 y M21. The above analysis and (2) – La citada evaluación, y (2) -
(4) demonstrate that (4) demostrar que
V V
GSM GSM
18 18
converges to converge a
V V
GSM GSM
1 1
, forcing , Obligando a
V V
DSM DSM
6 6
V V
GSM GSM
1 1
. . As shown by (3), the effect of Como se indica por (3), el efecto de
V V
in en
on the en el
output is diminished by the magnitude of the transconductance la producción se ve disminuida por la magnitud de la transconductancia
and output resistance of each transistor along the feedback path y resistencia de salida de cada transistor a lo largo del camino de realimentación
(see Figure 3). (Ver Figura 3). Thus Así
V V
out fuera
0 0
, which is equivalent to , Lo que equivale a
R R
o o
infinity, as shown by (3) and (4). el infinito, como lo muestra (3) y (4). These formulae confirm the Estas fórmulas confirmar la
aforementioned qualitative analysis of the feedback loop. análisis cualitativo de la mencionada circuito de retroalimentación.
A minimal oscillation is expected around the equilibrium Una oscilación mínima se espera alrededor del equilibrio
point due to the influence of punto debido a la influencia de
V V
in en
through the feedback loop. a través del circuito de retroalimentación. An- An-
other influence to be noted, albeit minimal, is due to the nonide- otra influencia que señalar, aunque sea mínimo, se debe a la nonide-
alities of the current sources I . personalidades destacadas de las fuentes de corriente I. To reduce the oscillation, a larger Para reducir la oscilación, una mayor
W/L ratio for the bias circuit transistors is necessary. W / L para el circuito de transistores sesgo es necesario. Also, the Además, el
bias circuit may require frequency compensation. circuito de polarización podrá exigir una indemnización de frecuencia.
For the down mirror, a similar loop exists through an iden- Por el espejo hacia abajo, un bucle similar existe a través de una iden-
tically dedicated bias circuit. ticamente dedicada circuito de polarización. Here, M22 (see Figure 2) is Aquí, M22 (ver Figura 2) es
similar to the mirror transistor M6 of the up mirror, giving similar a la del transistor M6 espejo del espejo, dando
I Yo
DSM DSM
22 22
= =
I Yo
DSM DSM
1 1
. . This current biases the M22-M23-M24 Este sesgo actual de la M22-M23-M24
column such that de tal manera que la columna
V V
GSM GSM
24 24
= =
V V
DSM DSM
7 7
= =
V V
GSM GSM
8 8
, making , Lo que hace
I Yo
DSM DSM
7 7
= =
I Yo
DSM DSM
1 1
= =
I Yo
DSM DSM
6 6
. .
II-315 II-315
0-7803-5474-5/99/$10.00(C)1999 IEEE 0-7803-5474-5/99 / $ 10.00 (C) 1999 IEEE
Page 3 Página 3
The down mirror can be terminated with a current divider (di- El espejo de Down puede ser terminada con un divisor de corriente (di-
vision by two in Figure 2). visión a las dos de la Figura 2). Using two identical paths, namely El uso de dos caminos idénticos, a saber,
M25 to M26 and M27 to M28, an accurate division is obtained. M25 a M26 y M27 a M28, una división exacta se obtiene.
The resulting half current, La media resultante actual,
I Yo
DSM DSM
28 28
, can be repeatedly divided , Puede ser dividida en varias ocasiones
using the same methodology. utilizando la misma metodología. As described by (1), in order to Según lo descrito por (1), con el fin de
use the same bias circuit for the following mirroring and divi- utilizar el circuito de polarización para el mismo reflejo siguiente y divi-
sions, M26 and M28 must be sized by W/2. nes, M26 y M28 deben tener el tamaño de W / 2. By subsequently Por posteriormente
dividing the current, a series of reference currents is obtained, dividir la corriente, una serie de corrientes de referencia se obtiene,
appropriate for high precision A/D and D/A converters. apropiado para la alta precisión de A / D y D / A.
III. D III. D
ESIGN ISEÑO
C C
ONSIDERATIONS CONSIDERACIONES
The design process consists of properly designing the refer- El proceso de diseño consiste en diseñar adecuadamente la refe-
ence cell according to the specific requirements of the appli- cia de células de acuerdo a las necesidades específicas de la aplica-
cation, and in satisfying simple rules in sizing the transistors cación, y en el cumplimiento de reglas simples en el tamaño de los transistores
within the circuit. dentro del circuito. In the reference cell (see Figure 2), En la celda de referencia (ver Figura 2),
I Yo
DSM DSM
3 3
is the reference input current. es la entrada de referencia actual. Proper reference voltages Adecuada tensiones de referencia
V V
M M
3 3
and y
V V
M M
5 5
are assumed to be provided. Se supone que debe proporcionarse. Typically, Por lo general,
V V
M M
5 5
= 2 = 2
V V
M M
3 3
or higher. o superior. M2 is a buffer transistor, and all the power supply M2 es un transistor de amortiguamiento, y toda la fuente de alimentación
variations affect variaciones afectan
V V
DSM DSM
2 2
. . Considering a constant Teniendo en cuenta una constante
I Yo
DSM DSM
3 3
, the , La
V V
DD DD
variations reflected on reflejada en las variaciones
V V
DSM DSM
2 2
result in a variable resultado en una variable
I Yo
DSM DSM
1 1
, ,
which is the initial reference current for the circuit. que es la referencia inicial para el circuito actual. If a rel- Si una rel-
ative value for ativa de valor
I Yo
DSM DSM
1 1
is appropriate for the application, then es apropiado para la aplicación y después
no modifications are necessary. sin modificaciones necesarias. If a constant Si una constante
I Yo
DSM DSM
1 1
is needed, es necesario,
however, a current source for Sin embargo, una fuente de corriente para
I Yo
DSM DSM
3 3
must be designed that will debe ser diseñado de forma que se
consider variations in variaciones considerar en
I Yo
DSM DSM
1 1
due to variations in debido a variaciones en
V V
DSM DSM
2 2
. . How- ¿Cómo-
ever, even in high precision converters, a constant Sin embargo, incluso en los convertidores de alta precisión, una constante
I Yo
DSM DSM
3 3
can puede
be used if the voltage to current converter of the input signal is ser utilizado si el voltaje de convertidor de corriente de la señal de entrada es
designed such that the input current varies with diseñarse de manera que la corriente de entrada varía con
V V
DD DD
over an más de un
equivalent equivalente
V V
DSM DSM
2 2
. .
In order to satisfy these design goals, Para satisfacer estos objetivos de diseño,
M M
1 = 1 =
M M
6 = 6 =
M M
18 = 18 =
M M
19 = 19 =
M M
20 = 20 =
M M
21 = 21 =
M M
22 22
, ,
M M
2 = 2 =
M M
14 = 14 =
M M
15 = 15 =
M M
16 = 16 =
M M
17 17
, ,
M M
23 = 23 =
M M
9 9
, and , Y
M M
4 = 4 =
M M
10 = 10 =
M M
11 = 11 =
M M
12 = 12 =
M M
13 = 13 =
M M
8 = 8 =
M M
7 = 7 =
M M
24 24
must be satisfied. deben ser satisfechas. In the En el
initial cell, large sizes are recommended in order to permit high célula inicial, el gran tamaño se recomienda a fin de permitir altas
precision and tolerance to process parameter variations. precisión y tolerancia a variaciones de los parámetros proceso. For the Por el
circuit to function properly, all transistors must operate in satu- circuito para que funcione correctamente, todos los transistores deben operar en satu-
ration all the time. ración de todo el tiempo.
M14 M14
M10 M10
M18 M18
M19 M19
M20 M20
M21 M21
M15 M15
M16 M16
M17 M17
M11 M11
M12 M12
M13 M13
M2 M2
M3 M3
M1 M1
M0 M0
Fig. La figura. 4. 4. The bias circuit used after a division El circuito de polarización usado después de una división
After a division, the reference current for the second cur- Después de una división, la referencia actual para el segundo cur-
rent mirror divider is espejo divisor de alquiler es
I Yo
DS DS
= =
2 2
. . M28 replaces M1 as the refer- M28 sustituye M1, según la refe-
ence transistor, and the transistor sizes of this cell are referenced cia de transistores, y los tamaños de los transistores de esta célula se hace referencia a
accordingly. en consecuencia. As mentioned previously, the larger the transistor Como se mencionó anteriormente, la más grande del transistor
sizes in the bias circuit, the higher the precision obtained. tamaños en el circuito de polarización, mayor será la precisión obtenida. The El
proper relative sizing depends on the specific performance re- dimensionamiento relativa adecuada depende del rendimiento específicos re-
quirements of the application. exigencias de la solicitud.
Due to short-channel effects such as velocity saturation and Debido a canal efectos a corto, como la saturación de la velocidad y la
mobility degradation as well as short-width effects, (1) does not la movilidad de la degradación, así como la anchura de los efectos a corto, (1) no
hold for high precision applications. mantenga para aplicaciones de alta precisión. In order to provide the Con el fin de proporcionar la
highest precision after a division, the circuit shown in Figure 4 precisión más alta después de una división, el circuito que se muestra en la Figura 4
is used for the bias circuits of the following cell. se utiliza para los circuitos de polarización de la celda siguiente. Instead of the En lugar de la
M18-M21 group of transistors of size W, each transistor is re- M18-M21 grupo de transistores del tamaño de W, cada transistor es re-
placed by a group of two transistors in parallel, each sized W/2, colocada por un grupo de dos transistores en paralelo, cada uno de tamaño W / 2,
with each group of two transistors sinking the same current as con cada grupo de dos transistores de la misma corriente se hunde como
the initial single transistor while providing the correct bias. el single inicial del transistor mientras que proporciona la polarización correcta.
Every up mirror, down mirror, or division requires a bias cir- Cada espejo arriba, abajo del espejo, o la división requiere un sesgo de cir-
cuit which uses large transistor sizes. cuit que utiliza transistores de gran tamaño. This requirement means Este requisito significa
large area and dissipated power, since the bias circuits operate gran superficie y potencia disipada, ya que los circuitos de polarización operar
with a high initial reference current ( con una referencia inicial de alta corriente (
I Yo
DSM DSM
1 1
), no matter what ), Sin importar lo que
current is mirrored or divided. actual es reflejado o dividida. A bias circuit operating at small Un circuito de polarización de funcionamiento a las pequeñas
currents with small transistors will require a constant correc- corrientes con pequeños transistores requieren una constante corrección
tion factor applied to the mirrored current, the advantage being ción factor aplicaron a los actuales reflejado, la ventaja de ser
smaller area and power, the disadvantage being the aforemen- superficie más pequeña y el poder, la desventaja es la menciona-
tioned problems and imperfections. problemas mencionados y las imperfecciones. In the case of a converter, En el caso de un convertidor,
these corrections can be implemented by a digital post process- estas correcciones pueden ser aplicadas por un proceso de post-digital
ing of the converted sample, saving power and area. ción de la muestra convertido, de ahorro de energía y el área. However, Sin embargo,
special care must be given to the aforementioned oscillation, especial cuidado se debe dar a la oscilación antes mencionados,
which increases with smaller size transistors. que aumenta con transistores de menor tamaño.
IV. S IV. S
IMULATION IMULATION
R R
ESULTS ESULTADOS
Circuit simulations based on Cadence-Spectre and a 1.2 Circuito de las simulaciones basadas en la cadencia y el 1,2-Espectro un
m m
CMOS technology are described in this section. La tecnología CMOS se describen en esta sección. In order to ob- Con el fin de ob-
serve the aforementioned oscillation, minimum size transistors servir a la oscilación mencionada, el tamaño mínimo de transistores
are used. se utilizan. M5 is 1.8 M5 es de 1,8
m/1.2 m/1.2
m and the remaining transistor m y el transistor restantes
ratios, except for M26 and M28, are 19.2 proporciones, a excepción de M26 y M28, son 19,2
m/1.2 m/1.2
m. m. M26 M26
and M28 are 9.6 y M28 son 9,6
m/1.2 m/1.2
m. m.
I Yo
1 1
= 200 = 200
A and A y
I Yo
DSM DSM
1 1
for para
V V
DD DD
= 10 = 10
V is 512 V es de 512
A, a A, un
2 2
n n
value in view of the subsequent valor teniendo en cuenta la posterior
divisions by 2. divisiones por 2.
Fig. La figura. 5. 5. Transient waveforms for the reference, up, down, and Transitorio formas de onda de la referencia, arriba, abajo, y
divided currents, respectively. corrientes divididas, respectivamente.
The reference, up, down, and divided current values, respec- La referencia, arriba, abajo, y se dividen los valores actuales, respectivamente,
tively, are shown in Figure 5. respectivamente, se muestran en la Figura 5. The current values are, as shown, Los valores actuales son, como se muestra,
I Yo
ref árbitro
= 512 = 512
: :
017 017
A, A,
I Yo
up hasta
= 512 = 512
: :
019 019
A, A,
I Yo
down abajo
= 512 = 512
: :
019 019
A, and A, y
I Yo
divided dividido
= 256 = 256
: :
009 009
A. Note the excellent precision A. Obsérvese la excelente precisión
of the mirroring and the oscillation, which in the worst case (for de la creación de reflejo y la oscilación, que en el peor de los casos (por
the down mirror) is 0.001 el espejo hacia abajo) es de 0,001
A in magnitude. Una magnitud. The bias circuit El circuito de polarización
is compensated with capacitors at the drain of M6, gate of M9, se compensa con los condensadores a la fuga de M6, puerta de la M9,
drain of M8, and gate of M25, and practically no oscillation is drenaje de M8 y puerta de M25 y prácticamente no es la oscilación
observed. observó. Decreasing the size of the transistors, however, re- Disminuir el tamaño de los transistores, sin embargo, re-
quires the capacitors to have a value of up to 1.5 pF for a 9.6 requiere que los condensadores tienen un valor de hasta 1,5 pF de 9,6
II-316 II-316
0-7803-5474-5/99/$10.00(C)1999 IEEE 0-7803-5474-5/99 / $ 10.00 (C) 1999 IEEE
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m/1.2 m/1.2
m transistor to remove any oscillation. transistor m de quitar cualquier oscilación. A higher ac- Un mayor ac-
curacy is obtained by increasing the size of the transistors. curato se obtiene al aumentar el tamaño de los transistores. The El
same currents as shown in Figure 5 are observed when mismas corrientes, como se muestra en la Figura 5 se observa cuando
V V
DD DD
is es
swept from a minimum value for which all transistors are still barrido de un valor mínimo por el que todos los transistores son todavía
saturated to an arbitrarily larger value. saturadas a un mayor valor de manera arbitraria. No circuit related upper Ningún circuito relacionados con la parte superior
limit exists, however, a technological limit exists, such as the límite existe, sin embargo, existe un límite tecnológico, como la
breakdown voltage. disruptiva. The expected La espera
I Yo
DSM DSM
1 1
variation due to the variación debido a la
V V
DSM DSM
2 2
variation assuming a constant suponiendo una constante variación
I Yo
DSM DSM
3 3
is noted. Se toma nota. The ex- El ex-
cellent equality and division among the currents over the entire celente la igualdad y la división entre las corrientes para todo el
sweep range is also noted. rango de barrido también se observa. In the aforementioned order of cur- En el citado auto de la actual-
rents, all in los alquileres, todo ello en
A, values of 505, 505, 505, 252.5 for A, los valores de 505, 505, 505, 252,5 para
V V
DD DD
=5 = 5
V V
to 525, 525, 525, 262.5 for a 525, 525, 525, 262,5 para
V V
DD DD
=20 = 20
V are observed. V se observan.
Differences exist from using a standard bias circuit after a Existen diferencias del uso de un circuito de polarización estándar después de una
division as compared to using the recommended bias circuit la división en lugar de utilizar el circuito de polarización recomienda
shown in Figure 4. muestra en la Figura 4. For the two circuits, differences in the up Para los dos circuitos, las diferencias en la UP
mirrored divided current as compared to the divided current of reflejada dividida actual en comparación con el actual dividido de
256.01 256,01
A are observed. Una se observan. The improvement is from 255.85 La mejora es de 255,85
A Un
for the case where the standard bias circuit is used to the same para el caso en el sesgo del circuito utilizado es el estándar a la misma
current as the reference current of 256.01 actual como la referencia actual de 256,01
A for the case where Una para el caso en
the balanced bias circuit is used. el circuito de polarización se utiliza equilibrada. The improvement in accuracy La mejora en la precisión
due to the use of the bias circuit from Figure 4 can be explained debido al uso del circuito de polarización de la Figura 4 se puede explicar
by observing the operating point of M6. mediante la observación del punto de funcionamiento de M6. According to (1), De acuerdo con (1),
I Yo
DS DS
= =
2 2
is expected since a W/2L transistor ratio is used. Se espera desde hace una relación de transistor W/2L se utiliza. Due Debido
to short channel and short width effects, the normal bias circuit al canal de corto y los efectos a corto anchura, el circuito de polarización normal
produces a slightly different output voltage ( produce una salida de tensión ligeramente diferentes (
V V
GSM GSM
18 18
). ). In the En el
two cases analyzed under the same bias and sizing conditions, dos casos analizados en el marco del mismo sesgo y el tamaño de condiciones,
M6 has a bias of M6 tiene un sesgo de
V V
GS GS
= =
V V
GSref GSref
= 2 = 2
: :
532 532
V, V,
V V
DS DS
= 2 = 2
: :
522 522
V, V,
and y
I Yo
DS DS
= 255 = 255
: :
85 85
A for the standard bias circuit. A para el circuito de polarización estándar. While us- Mientras que nosotros-
ing the balanced bias circuit shown in Figure 4, the equilibrium ción el circuito de polarización equilibrada muestra en la Figura 4, el equilibrio
is reestablished and M6 has a bias of se restablece y M6 tiene un sesgo de
V V
GS GS
= =
V V
GSref GSref
= 2 = 2
: :
532 532
V, V,
V V
DS DS
=2 = 2
: :
532 532
V, and V, y
I Yo
DS DS
= 256 = 256
: :
01 01
A. A.
V. P V. P
ERFORMANCE ESEMPEÑO
C C
OMPARISON OMPARACIÓN
A comparison with previous work may be useful, though dif- Una comparación con trabajos anteriores pueden ser útiles, aunque dife-
ficult, due to the individuality of the current mirror topology. cil, debido a la individualidad de la topología de espejo de corriente.
However, a comparison with a high precision current mirror, re- Sin embargo, una comparación con una alta precisión espejo actual, re-
ported in [5], is described here. portado en [5], se describe aquí. In [5], comparison with previ- En [5], la comparación con ante-
ous related work was also made. trabajos relacionados con las unidades organizativas también se hizo. The work described in [5] was El trabajo descrito en [5] se
shown to have notable advantages. demostrado tener ventajas notables.
TABLE I CUADRO I
U U
P MIRROR PERFORMANCE COMPARISON WITH ESPEJO DE RENDIMIENTO COMPARACIÓN CON P
IAFCCM [5] IAFCCM [5]
Issue Cuestión
Up Mirror Hasta Espejo
IAFCCM [5] IAFCCM [5]
Mirroring error Reflejo de error
0.00022% 0,00022%
0.02% 0,02%
Supply voltage Tensión de alimentación
0 0
0.015% 0,015%
dependency dependencia
Mirroring accuracy Reflejo de la exactitud
NO NO
YES SÍ
dependency on dependencia de los
I Yo
in en
Largest transistor Más grande de transistores
19.2 19,2
m m
300 300
m m
width ancho
Number of transist. Número de tránsito y el transporte.
15 15
9 9
Total width of Anchura total de la
288 288
m m
1650 1650
m m
all transistors todos los transistores
L=1.2 L = 1,2
m m
L=3,9 L = 3,9
m m
Dissipated power Potencia disipada
30mW 30mW
20 20
mW mW
( 500 (500
A) A)
R R
o o
(qualitative) (Cualitativa)
g g
m m
r r
o o
4 4
g g
m m
r r
o o
2 2
The ping-pong facility of the topology proposed in this paper La instalación de ping-pong de la topología propuesta en este documento
should also be noted, in which the up and down current can be También hay que señalar, en el que el arriba y abajo de corriente pueden
repeatedly mirrored with almost no error. reflejado en varias ocasiones con casi ningún error. This capability per- Esta capacidad por-
mits the development of a series of reference currents useful in mite el desarrollo de una serie de corrientes de referencia útil para
high speed converters. convertidores de alta velocidad. In Table I, the up mirror of the present En la Tabla I, el espejo del presente
topology is compared to the circuit described in [5], IAFCCM. topología es en comparación con el circuito descrito en [5], IAFCCM.
Note the difference in the sizes of the transistors between the Observe la diferencia en el tamaño de los transistores entre el
two circuits, which is disadvantageous for the topology intro- dos circuitos, que es desfavorable para la topología de la intro-
duced here. producidos aquí. Larger sizes, as mentioned, would further improve Los tamaños más grandes, como se mencionó, podrían mejorar aún más
the performance of the proposed circuit. el rendimiento del circuito propuesto. Note in Table I the Nota en el cuadro I, los
minimum two orders of magnitude higher accuracy and no mea- mínimo de dos órdenes de magnitud mayor precisión y sin medi-
surable mirroring supply voltage dependency and mirroring ac- reflejo de la oferta surable tensión dependencia y de creación de reflejo de ca-
curacy dependency on curato dependencia
I Yo
in en
. .
VI. C VI. C
ONCLUSIONS ONCLUSIONES
The CMOS current mirror/divider circuit topology presented El actual espejo CMOS / topología de circuito divisor presentado
in this paper provides improved performance and offers an en el presente documento se ofrece un mejor rendimiento y ofrece una
added capability for switching the up and down current (the capacidad adicional para cambiar de arriba y abajo actual (el
ping-pong facility), applicable to certain high precision analog ping-pong de instalaciones), aplicable a los altos analógico cierta precisión
and mixed signal circuits. y circuitos de señal mixta. The current mirror circuit offers a El circuito ofrece un espejo actual
high design precision in up and down mirroring and in division, precisión del diseño de alta en el espejo de arriba a abajo y en la división,
and no measurable supply voltage dependency and mirroring ac- y sin suministro de medir la dependencia de la tensión y la creación de reflejo de ca-
curacy dependency on the input current, curato dependencia de la corriente de entrada,
I Yo
in en
. . However, to obtain Sin embargo, para obtener
the predicted accuracy, transistor matching is required. la exactitud predijo, igualando transistor es necesario. As men- Así como los hombres-
tioned, the larger the transistor sizes, the better the matching, mencionados, mayor será el tamaño del transistor, mejor será el juego,
minimizing the sensitivity to process variations and increasing reducir al mínimo la sensibilidad a las variaciones del proceso y el aumento de
the circuit accuracy. la precisión del circuito. Another advantage of the proposed circuit Otra de las ventajas del circuito propuesto
is that the transistor matching can be made in standard, well es que el juego de transistores se pueden hacer en la norma, así
defined sizes. tamaños definidos. The cost of this circuit is an increase in power El costo de este circuito es un aumento del poder
dissipation, and possibly, an increase in area. la disipación, y posiblemente, un aumento de la superficie. Another possible Otro posible
advantage is the capability of obtaining a series of four reference ventaja es la capacidad de obtener una serie de cuatro referencia
currents, each half of the previous current, by reducing the size corrientes, cada mitad de la corriente anterior, al reducir el tamaño
of all the transistors (see Figure 2) from W to only W/2. de todos los transistores (ver Figura 2) de W a sólo W / 2. This Esta
capability eliminates, even in high precision converters, any as- capacidad elimina, incluso en los convertidores de alta precisión, de las que se-
pect ratio problems. relación de problemas sospechosa. In summary, this current mirror topology En resumen, esta topología espejo actual
provides an important enhancement in performance and capa- proporciona una mejora importante en el rendimiento y la capa-
bility for application to higher precision, lower cost converters. lidad para su aplicación a una mayor precisión, menor coste de transformación.
R R
EFERENCES EFERENCIAS
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Texto original en inglés:
range, straightforward design, and the possibility of con-
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nerio ramirez