Specchio di Corrente Cascode vs. Specchio Semplice MOSFET: Perché il Cascode Vince sulla Resistenza in Uscita
Il Problema Centrale: Resistenza in Uscita Finita
Uno specchio di corrente MOSFET semplice (due FET abbinati, gate e sorgenti collegati) ha resistenza in uscita ro = 1/(λID). Per i MOSFET a canale corto moderni, λ è grande → ro è bassa (10–100 kΩ). Ciò causa:
- La corrente di uscita varia con VDS (scarsa regolazione di corrente).
- Guadagno di tensione limitato nei carichi di amplificatore.
- Sensibilità alla modulazione di lunghezza del canale.
Specchio di Corrente Cascode: Struttura e Meccanismo
Specchio Semplice: Specchio Cascode: ┌─── M3 (cascode) Iref ──[M1]──┐ Iref ──[M1]──┐ │ │ │ M2 (uscita) M2 │ │ │ │ GND GND │ │ M4 (bias) ── Vbias
- M1, M2: Coppia specchio (abbinati, stessa VGS).
- M3: Transistore cascode — gate polarizzato a Vbias fisso, sorgente al drenaggio di M2.
- M4: Generatore di bias (spesso copia diodi-connessa di M3).
Perché il Cascode Aumenta la Resistenza in Uscita
- La tensione di drenaggio di M2 è stabilizzata a Vbias - VGS3 (≈ costante).
- M3 agisce come stadio common-gate: la sua resistenza di ingresso (alla sorgente) ≈ 1/gm3 (bassa).
- M2 vede un carico a bassa impedenza → la sua VDS cambia appena con la tensione di uscita.
- Resistenza di uscita effettiva: Rout ≈ gm3ro2ro3 ≈ β·ro (miglioramento 10–100×).
Vantaggi Addizionali del Cascode
| Parametro | Specchio Semplice | Specchio Cascode |
|---|---|---|
| Resistenza in uscita | ro | gmro² (100×–10.000×) |
| Oscillazione tensione di uscita (min) | VDS(sat) | 2×VDS(sat) + VGS3 - Vth (più alta) |
| Sensibilità all'abbinamento | Alta (ΔVDS → ΔI) | Bassa (VDS di M2 fissato) |
| Distorsione | Moderata | Inferiore (M2 in regione lineare) |
| Stabilità (effetto Miller) | Cgd al nodo di uscita | Cgd2 bootstrappato, Cgd3 a nodo a bassa impedenza |
| Tensione di alimentazione minima | Bassa | Più alta (necessita spazio per 2 VDS(sat) + VGS) |
Compromesso di Progettazione: Spazio di Testa
- Il cascode necessita di ~0,5–1 V in più di spazio VDD rispetto allo specchio semplice.
- I progetti a bassa tensione (< 1,8 V) possono usare cascode regolato (RGCM) o seguitore di tensione capovolto (FVF) per ridurre lo spazio.
- Per > 3,3 V, il cascode standard è preferito.
Quando Usare l'uno o l'Altro
- Specchio semplice: Correnti di bias per blocchi non critici, bassa tensione, vincoli di area, dove una variazione di corrente del 10% è accettabile.
- Specchio cascode: Riferimenti di precisione, carichi OTA, carichi attivi in amplificatori, convertitori DAC a steering di corrente, qualsiasi nodo ad alta impedenza.
Conclusione
Lo specchio di corrente cascode utilizza un transistore common-gate per fissare la tensione di drenaggio del transistore specchio, moltiplicando la resistenza in uscita per gmro. Questa è la tecnica più importante per il design di IC analogici di alta precisione. Il costo in spazio di testa vale solitamente il miglioramento 100× nella costanza di corrente.