Miroir de courant cascode vs miroir MOSFET simple : Pourquoi le cascode gagne sur la résistance de sortie

Le problème central : Résistance de sortie finie

Un miroir de courant MOSFET simple (deux FETs appariés, grilles et sources communes) a une résistance de sortie r_o = 1/(λI_D). Pour MOSFETs modernes à canal court, λ est grand → r_o faible (10–100 kΩ). Cela cause :

• Courant de sortie variable avec V_DS (mauvaise régulation courant).
• Gain tension limité en charges d'amplificateurs.
• Sensibilité à la modulation de longueur de canal.

Miroir de courant cascode : Structure et mécanisme

 Miroir Simple : Miroir Cascode : ┌─── M3 (cascode) Iref ──[M1]──┐ Iref ──[M1]──┐ │ │ │ M2 (sortie) M2 │ │ │ │ GND GND │ │ M4 (biais) ── Vbias 

• M1, M2 : Paire miroir (appariés, même V_GS).
• M3 : Transistor cascode — grille polarisée à V_bias fixe, source au drain de M2.
• M4 : Générateur de biais (souvent copie diode-connectée de M3).

Pourquoi le cascode booste la résistance de sortie

• La tension de drain de M2 est stabilisée à V_bias - V_GS3 (≈ constante).
• M3 agit comme étage grille commune : sa résistance d'entrée (à la source) ≈ 1/g_m3 (faible).
• M2 voit une charge de faible impédance → son V_DS change à peine avec la tension de sortie.
• Résistance de sortie effective : R_sortie ≈ g_m3r_o2r_o3 ≈ β·r_o (amélioration 10–100×).

Avantages additionnels du cascode

Paramètre	Miroir simple	Miroir cascode
Résistance sortie	ro	gmro² (100×–10 000×)
Amplitude tension sortie (min)	VDS(sat)	2×VDS(sat) + VGS3 - Vth (plus élevée)
Sensibilité appariement	Élevée (ΔVDS → ΔI)	Faible (VDS M2 fixé)
Distorsion	Modérée	Plus faible (M2 en région linéaire)
Stabilité (effet Miller)	Cgd au nœud sortie	Cgd2 bootstrappé, Cgd3 au nœud faible Z
Tension alimentation min	Faible	Plus élevée (besoin marge pour 2 VDS(sat) + VGS)

Compromis conception : Marge de tension

• Le cascode nécessite ~0,5–1 V de marge V_DD de plus que miroir simple.
• Designs basse tension (< 1,8 V) peuvent utiliser cascode régulé (RGCM) ou suiveur de tension inversé (FVF) pour réduire la marge.
• Pour > 3,3 V, cascode standard est privilégié.

Quand utiliser lequel

• Miroir simple : Courants de biais pour blocs non critiques, basse tension, surface contrainte, où variation 10 % courant acceptable.
• Miroir cascode : Références de précision, charges AOT, charges actives amplificateurs, DACs à commutation de courant, tout nœud haute impédance.

En résumé

Le miroir de courant cascode utilise un transistor grille commune pour fixer la tension de drain du transistor miroir, multipliant la résistance de sortie par g_mr_o. C'est la technique unique la plus importante pour la conception analogique CI de haute précision. Le coût en marge de tension vaut généralement l'amélioration 100× de la constance du courant.