CAPITULO5

CAPÍTULO 5.
ESPEJOS DE CORRIENTE Y CIRCUITOS DE REFERENCIA.
5.1 INTRODUCCIÓN
Vamos a describir el diseño, “layout” y simulación de espejos de corriente (circuito que
suministra o recibe una corriente constante). La resistencia de salida ideal de una fuente
de corriente es infinita (ro  ∞). El objetivo principal será conseguir una alta resistencia de
salida de forma que la corriente de salida novaríe mucho con el voltaje que soporta la
fuente de corriente (bajo efecto de carga). Por otra parte, se mostrarán circuitos de
referencia con el objetivo de usarse en la polarización de los futuros diseños de
amplificadores o circuitos usados. Estos circuitos de referencia deben ser lo más
independientes posible del PVT (Proceso-Voltaje de alimentación-Temperatura).

5.2 EL ESPEJO DE CORRIENTEBÁSICO.
El espejo de corriente NMOS básico se muestra en la figura 5.1. Asumimos que M1 es
igual a M2, y consideramos que VGS1 = VDS1 = VGS2. Por el hecho de tener igual tensión de
voltaje
(despreciando el efecto de la modulación del canal) deberían de tener la misma
corriente de drenador. Si las resistencias del drenador son iguales, tendremos que
(esto es importante para conseguir buenas copiasde corriente). Haciendo
coincidir los tamaños aseguramos que VGS1 = VGS2 = VDS1 = VDS2 produciendo una buena
copia.

Figura 5.1 Espejo de corriente básico.
Examinando la figura 5.2, se muestra un espejo de corriente y su circuito equivalente a la
salida. Mirando M1 podemos escribir:

(5.1)

(

) (

(

))

Sabiendo que:

(5.2)

170

(5.3)

Figura 5.2 Espejo de corriente y circuito equivalente desalida.
Podemos escribir para M2:

(5.4)

(

)

(

)

Considerando que
y
y
es el voltaje que soporta la
fuente de corriente. Podemos expresar el ratio de corrientes como:

(5.5)

(

⁄
⁄

(

(
(

))
))

Generalmente las longitudes de los dispositivos de los espejos son iguales y si
despreciamos el efecto de la modulación de la longitud del canal (λ = 0) obtenemos una
expresión de la forma:(5.6)
Por lo cual, simplemente modificando el tamaño del transistor M2, podemos ajustar
nuestra corriente de salida. La figura 5.3 muestra un ejemplo usando dispositivos PMOS.

Figura 5.3 Generación de corrientes a partir de un espejo de corriente de referencia, despreciando
el efecto de la modulación del canal.

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Ejemplo 5.1
Vamos a determinar el valor de la resistencia R para obtener unacorriente de referencia
de 20 μA en las figuras 5.2 y 5.3. Para poder realizar dicho ejercicio necesitaremos
algunos parámetros. De los parámetros ofrecidos por “Austriamicrosystems” para una
tecnología de 0.35 μm para un transistor nmos, obtenemos los siguientes valores típicos
de KPn = 170 μA/V2 y una VTHN = 0.5 V. Como parámetros de diseño tenemos la terna
(ID, VOV, W/L) (VDS,sat = Vov = VGS – VTHN)donde debemos tomar dos de ellos como datos y
calcular el tercero (será importante tener en cuenta como las corrientes de polarizaciones
elegidas y tamaños pueden afectar a parámetros como ganancia, velocidad, impedancias
de salida, etc. de un circuito analógico).
En la figura 5.2 podemos escribir:

(

)

Por lo que necesitaremos elegir un tamaño para el transistor M1 y, dada una alimentaciónque tomaremos de 3 V, y saber qué valor de VGS1 nos producirá la corriente de referencia
deseada. Tomaremos como tamaño del transistor M1 (igual que M2) un valor de W/L =
10/2. Se cumplirá que:
 A mayor L, menor VTHN, mayor resistencia de salida (mejores copias) y menor
ruido.
 A mayor W, mayor corriente de drenador con mayor tamaño, mayores
capacidades y menor velocidad.
Para los datos conocidospodemos obtener una Vov = VGS – VTHN = 217 mV (VGS = 0.717
V) por lo cual necesitaremos una resistencia de drenador de:

Si realizamos la simulación con Cadence, para el tamaño elegido (Figura 5.2) y la
resistencia calculada tomando una fuente de alimentación en dc V0 en la salida y
realizando un barrido desde 0 a 3 V obtenemos la figura 5.4.
Observamos como era de esperar, que la corriente de...