电流镜，运放，比较器等管子的尺寸选取，静态分析，Vdsat和mismatch的关系

摘自：电流镜，运放，比较器等管子的尺寸选取，静态分析，Vdsat和mismatch的关系

电流镜，运放，比较器等基本的模拟电流模块，一般没有速度的要求，管子尺寸可以取很大（面积允许的前提下）。故本文讨论是长沟道的管子，不涉及短沟道效应。

管子的Chanel length取很大的目的。一般的讲法，电流镜要满足精确复制电流，管子的channel length一般取的比较大，vdsat就大，复制精度高。但真正的原因是什么？

在电流源和电流镜中，涉及的参数都应尽可能保持一致，这样就可以得到高精度的电流复制。参数包括迁移率u, 单位栅氧化层电容Cox, 晶体管尺寸W/L, Vgs-Vth. 迁移率u, 单位栅氧化层电容Cox的偏差主要受工艺制程的影响。而为了减小晶体管尺寸W/L的失配mismatch，可以增加尺寸，以及版图layout做特殊处理，比如叉指布局，增加dummy管等。最后，如何减小Vth的失配mismatch呢？

电路是可以很容易做到电流源和电流的Vgs相同。但是Vth的偏差却难以消除。一般做法只有增加Vgs-Vth，让这个整体的值取大，以降低Vth偏差带来的影响。那实际上就是增加Vgs. 当电流镜的电流是确定的，要增加Vgs, 只有减小W/L, 即W越小，L越大越好。L越大，沟道开始夹断对应的Vgs-Vth就越大，这其实就是定义的Vdsat呀。在长沟道器件中，当Vds等于Vgs-Vth时，沟道开始夹断，这时的Vds被定义为Vdsat. 所以，业界有流行的说法，电流镜的Vdsat取150mV左右。这就是通过看管子的静态参数Vdsat，反推出管子的尺寸取的是否合适，Vth偏差的影响是否达到可接受的程度。

当然，从实际考虑，并非是W越小，L越大越好。一方面工艺制程精度的限制W不可能无限小，面积的限制L不可能无限大。另一方面，也是最重要的原因，L很大的话，Vdsat也就很大，那么要让这个管子工作在饱和区就需要很大的Vds, 对于先进制程低电压的情况，这是很难做到的。

对于运放和比较器，失调电压是一个很重要的指标。失调电压主要受两方面影响，一是第一级的输入对管的mismatch,包括了尺寸mismatch和Vth mismatch. 做法可参照前面所述。二是后一级的失调折算到输入端，这时候第一级的增益gain就起到很大的作用，增益越大，后一级折算到输入端的失调就越小。当电流确定时，如何增加增益。唯有增加W/L，减小Vgs-Vth。因此，折中考虑后trade-off,第一级输入对管的尺寸取的相当的大。