一種大電流高輸出阻抗電流鏡的設計

　0 引 言

　　電流鏡(CM)是模擬集成電路中最基本的單元電路之一。它是一種能將電路中某一支路的參考電流在其他支路得以重現或復制的電路，能減少電壓變化和溫度變化帶來的誤差，其性能對整個電路乃至系統的性能都有重要的影響。為了適應各種電路及系統性能的要求，不同的電路需要使用不同結構的電流鏡，如放大器、比較器、自校準電流源等使用結構簡單的電流鏡，而轉換器等要求高性能電流鏡。LED(Light Emitting Diode)驅動電路要求電流鏡的輸出電流能夠達到幾十甚至上百毫安量級。輸出阻抗和電流匹配精度是決定電流鏡性能最重要的參數，許多研究都集中于這兩點。這里在分析了基本電流鏡和DMCM(Dy-namic Matching Current Mirror)電流鏡的基礎上提出一種高輸出阻抗、高匹配精度的電流鏡，其性能比傳統電流鏡更加理想，輸出電流能夠滿足高輸出電流的要求。

　　1 基本電流鏡

　　最簡單的電流鏡如圖1(a)所示，MOS管M1一直處于飽和狀態，根據飽和MOS管漏源電流關系：

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　　式中：μ是電子或空穴遷移率；Cox表示單位面積的柵氧化層電容；W／L為MOS管的寬長比；λ為溝道長度調制系數。對于較長的溝道，λ值比較小，因此忽略溝道調制效應。由此可知，如果兩個相同的MOS管的柵源電壓相等，那么其漏源電流也相等。但是圖1(a)的輸出阻抗僅為rO2，并且由于M1和M2的漏源電壓不一定完全相等，使得電路的電流復制能力比較差。

　　共源共柵結構的電流鏡具有比簡單電流鏡大得多的輸出阻抗。圖1(b)所示的為標準共源共柵電流鏡，電流鏡的輸出阻抗為：

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　　但是與簡單電流鏡一樣，VDS1=VDS2同樣得不到很好的保證，這就降低了共源共柵電流鏡的電流復制精度。另外，為了使四個管子都處在飽和區，輸出電壓必須大于VT+2VOV，其中VT為管子的閾值電壓；VOV為管子的過驅動電壓，限制了輸出電壓擺幅。

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　　圖2所示的DMCM結構電流鏡中，由于M3，M4，M6三個管子構成了一個負反饋，使得其輸出阻抗大大提高，不過反饋回路的增益還存在提升空間。DM-CM結構電流鏡的輸出阻抗為：

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　　通過調節M4和M6的寬長比可以實現|VGS4|=VGS6，此時滿足VD1=VD3，MOS管M1和M3的漏源電流相等，電流鏡具有較好的電流匹配精度。然而M4是PMOS管、M6是NMOS管，PMOS管和NMOS管的跨導會隨著Iin變化而變化，并且兩者變化的速率不相同，這就導致了M4和M6的柵源電壓有著不一樣的變化速率，于是在Iin的值發生變化時，VD1=VD3不能得到很好的滿足，因此DMCM結構電流鏡很難滿足高精度的要求。同時，為了使M4工作在飽和區，輸出電壓必須大于VT十2VOV，致使輸出電壓擺幅不夠寬。

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　　2 改進電流鏡的設計

　　改進的電流鏡如圖3所示，它由兩個部分組成：MOS晶體管M1～M4構成兩級型共源共柵電流鏡；MOS晶體管M5～M14構成折疊式共源共柵放大器，其中由Vb1，Vb2，Vb3由外部偏置產生。折疊式共源共柵放大器能夠通過負反饋增大電流鏡的輸出電阻，提高電流鏡的電流匹配精度。

　　將電流鏡的放大器部分簡化，如圖4所示。改進電流鏡的輸出阻抗為：

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　　而：

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　　由圖4可知：

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　　式中：A為折疊式共源共柵放大器的增益。

　　將式(8)代入式(7)，得：

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　　同樣，將M2看成共源放大器，有：

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　　由式(9)，(10)可算出：

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　　根據折疊式共源共柵放大器可知，其增益為：

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　　將式(12)代入式(11)，得：

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　　由式(6)和式(13)可計算出改進的電流鏡的輸出阻抗為：

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　　可見本文設計的電流鏡的輸出阻抗遠大于原有結構電流鏡的輸出阻抗。

　　在改善電流匹配精度方面，在圖4中，首先假設電流鏡的輸入電流恒定，如果由于噪聲等因素，A點的電壓上升，在這種情況下，放大器正輸入端電壓不變，負輸入端電壓增大，必將導致放大器的輸出端即C點的電壓減小。由于M2的柵源電壓沒有發生變化，那么流過M4的電流不會變化，于是A點的電壓又會隨著C點電壓的減小而減小，直到放大器正負兩端電壓相等。由此可見，本文設計的電流鏡在輸入電流不變的情況下能夠很好地穩定A點的電壓。另外，即使輸入電流發生變化，由于放大器的負反饋作用，使得能夠很好地滿足VD1=VD2，即VDS1=VDS2，電流鏡的匹配精度也不會隨輸入電流Iin的變化而改變。

　　由于放大器輸入失調的存在，導致VDS1和VDS2存在接近10 mA的偏差。在長溝道情況下，λ值通常小于0．01，根據式(1)可知，電流誤差小于10-5量級，因此放大器的輸入失調不會帶來大的一致性誤差。

在圖3的電路中，只要滿足Vout≥VOV2+VOV4，M2和M4就可以在飽和區正常工作。通過調整M2和M4的寬長比使得過驅動電壓均為0．1 V，在輸出電壓為0．2 V時，電流鏡仍然有非常好的輸出特性；同時，M4工作在線性區時，電流鏡也同樣具有較高的輸出阻抗。

　　3 測試結果

　　電路采用0．5μm的CMOS工藝，MPW流片共得完好樣片96張，其芯片照片如圖5所示。

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　　對芯片的輸出電壓特性、電流匹配精度和電流一致性進行了測試，測試結果表明：在3．3 V電源電壓時，電流鏡的輸出阻抗達到200 MΩ以上；在Iin為10 mA時，輸出電壓擺幅為0．2～5 V，電流匹配精度誤差小于0．016％，芯片的電流一致性高于99．5％，具有極其廣泛的應用前景。

　　圖6是電流鏡的輸出電壓特性的測試曲線，其中電源電壓為3．3 V，Iin=10 mA。測試結果顯示：電流鏡的輸出電壓擺幅為0．2～5 V。

　　另外，通過測試結果可以計算出電流鏡的輸出阻抗為：

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　　圖7是測試出的電流鏡輸出電流隨輸入電流的變化曲線，輸入電流范圍為1μA～100 mA。

　　電流匹配精度誤差可表示為：

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　　電流鏡的電流匹配精度誤差如表1所示。測試結果表明，在輸入電流小于10 mA時，電流鏡的電流匹配精度誤差小于0．016 9／6，即使在輸入電流為100 mA時，精度誤差也小于0．2％。

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　　蒙特卡洛分析是用于衡量器件特性值對電路性能影響的一種測試方法。在每個蒙特卡洛分析中，器件的特征值被當作潛在影響測試結果的因素并進行分類，由于測試是隨機選取樣本，各個特征值也將是隨機的。在一個完整的測試結束后，可以得到一個或多個結果。每一項性質將得到一系列可被統計學統計的結果。對于電流鏡而言，主要特征值包括制造中的摻雜濃度的分析，內部電源電壓的偏差和外界的溫度變化等。

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　　圖8是在室溫，輸入電流為10 mA情況下，選取50塊電流鏡芯片對其輸出電流測試的結果。

　　最大輸出電流為10．026 41 mA，最小輸出電流為9．977 69 mA，平均輸出電流為9．997 85 mA。

　　電流鏡的電流一致性誤差可表示為：

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　　4 結 語

　　在此設計的采用折疊式共源共柵放大器負反饋的電流鏡，在保證較大輸出電壓擺幅的情況下，大大提高了電流鏡的輸出阻抗和電流匹配精度。通過測試結果可以看到，電流鏡的輸出阻抗達到200MΩ，輸入電流Iin在小于10mA時，電流匹配精度誤差小于0.016%；輸出電壓擺幅為0.2~5V，具有很好的線性度；通過蒙特卡洛測試出的芯片電流一致性誤差小于0.5%。測試結果表明，設計的電路能夠滿足高輸出阻抗、高擺幅、高電流匹配精度，高電流一致性以及高輸出電流的要求。