一种大电流高输出阻抗电流镜的设计

0 引 言
    电流镜(CM)是模拟集成电路中最基本的单元电路之一。它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路，能减少电压变化和温度变化带来的误差，其性能对整个电路乃至系统的性能都有重要的影响。为了适应各种电路及系统性能的要求，不同的电路需要使用不同结构的电流镜，如放大器、比较器、自校准电流源等使用结构简单的电流镜，而转换器等要求高性能电流镜。LED(Light Emitting Diode)驱动电路要求电流镜的输出电流能够达到几十甚至上百毫安量级。输出阻抗和电流匹配精度是决定电流镜性能最重要的参数，许多研究都集中于这两点。这里在分析了基本电流镜和DMCM(Dy-namic Matching Current Mirror)电流镜的基础上提出一种高输出阻抗、高匹配精度的电流镜，其性能比传统电流镜更加理想，输出电流能够满足高输出电流的要求。

1 基本电流镜
    最简单的电流镜如图1(a)所示，MOS管M1一直处于饱和状态，根据饱和MOS管漏源电流关系：
   
    式中：μ是电子或空穴迁移率；Cox表示单位面积的栅氧化层电容；W／L为MOS管的宽长比；λ为沟道长度调制系数。对于较长的沟道，λ值比较小，因此忽略沟道调制效应。由此可知，如果两个相同的MOS管的栅源电压相等，那么其漏源电流也相等。但是图1(a)的输出阻抗仅为rO2，并且由于M1和M2的漏源电压不一定完全相等，使得电路的电流复制能力比较差。
    共源共栅结构的电流镜具有比简单电流镜大得多的输出阻抗。图1(b)所示的为标准共源共栅电流镜，电流镜的输出阻抗为：
   
    但是与简单电流镜一样，VDS1=VDS2同样得不到很好的保证，这就降低了共源共栅电流镜的电流复制精度。另外，为了使四个管子都处在饱和区，输出电压必须大于VT+2VOV，其中VT为管子的阈值电压；VOV为管子的过驱动电压，限制了输出电压摆幅。

    图2所示的DMCM结构电流镜中，由于M3，M4，M6三个管子构成了一个负反馈，使得其输出阻抗大大提高，不过反馈回路的增益还存在提升空间。DM-CM结构电流镜的输出阻抗为：
   
    通过调节M4和M6的宽长比可以实现|VGS4|=VGS6，此时满足VD1=VD3，MOS管M1和M3的漏源电流相等，电流镜具有较好的电流匹配精度。然而M4是PMOS管、M6是NMOS管，PMOS管和NMOS管的跨导会随着Iin变化而变化，并且两者变化的速率不相同，这就导致了M4和M6的栅源电压有着不一样的变化速率，于是在Iin的值发生变化时，VD1=VD3不能得到很好的满足，因此DMCM结构电流镜很难满足高精度的要求。同时，为了使M4工作在饱和区，输出电压必须大于VT十2VOV，致使输出电压摆幅不够宽。

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2 改进电流镜的设计
    改进的电流镜如图3所示，它由两个部分组成：MOS晶体管M1～M4构成两级型共源共栅电流镜；MOS晶体管M5～M14构成折叠式共源共栅放大器，其中由Vb1，Vb2，Vb3由外部偏置产生。折叠式共源共栅放大器能够通过负反馈增大电流镜的输出电阻，提高电流镜的电流匹配精度。
    将电流镜的放大器部分简化，如图4所示。改进电流镜的输出阻抗为：
    
    而：
   

    由图4可知：
   
式中：A为折叠式共源共栅放大器的增益。
    将式(8)代入式(7)，得：
   
    同样，将M2看成共源放大器，有：
    
    由式(9)，(10)可算出： 
   
    根据折叠式共源共栅放大器可知，其增益为：
   
    将式(12)代入式(11)，得：
   
    由式(6)和式(13)可计算出改进的电流镜的输出阻抗为：
   
    可见本文设计的电流镜的输出阻抗远大于原有结构电流镜的输出阻抗。
    在改善电流匹配精度方面，在图4中，首先假设电流镜的输入电流恒定，如果由于噪声等因素，A点的电压上升，在这种情况下，放大器正输入端电压不变，负输入端电压增大，必将导致放大器的输出端即C点的电压减小。由于M2的栅源电压没有发生变化，那么流过M4的电流不会变化，于是A点的电压又会随着C点电压的减小而减小，直到放大器正负两端电压相等。由此可见，本文设计的电流镜在输入电流不变的情况下能够很好地稳定A点的电压。另外，即使输入电流发生变化，由于放大器的负反馈作用，使得能够很好地满足VD1=VD2，即VDS1=VDS2，电流镜的匹配精度也不会随输入电流Iin的变化而改变。
    由于放大器输入失调的存在，导致VDS1和VDS2存在接近10 mA的偏差。在长沟道情况下，λ值通常小于0．01，根据式(1)可知，电流误差小于10-5量级，因此放大器的输入失调不会带来大的一致性误差。
    在图3的电路中，只要满足Vout≥VOV2+VOV4，M2和M4就可以在饱和区正常工作。通过调整M2和M4的宽长比使得过驱动电压均为0．1 V，在输出电压为0．2 V时，电流镜仍然有非常好的输出特性；同时，M4工作在线性区时，电流镜也同样具有较高的输出阻抗。

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3 测试结果
    电路采用0．5μm的CMOS工艺，MPW流片共得完好样片96张，其芯片照片如图5所示。

    对芯片的输出电压特性、电流匹配精度和电流一致性进行了测试，测试结果表明：在3．3 V电源电压时，电流镜的输出阻抗达到200 MΩ以上；在Iin为10 mA时，输出电压摆幅为0．2～5 V，电流匹配精度误差小于0．016％，芯片的电流一致性高于99．5％，具有极其广泛的应用前景。
    图6是电流镜的输出电压特性的测试曲线，其中电源电压为3．3 V，Iin=10 mA。测试结果显示：电流镜的输出电压摆幅为0．2～5 V。
    另外，通过测试结果可以计算出电流镜的输出阻抗为：
    
    图7是测试出的电流镜输出电流随输入电流的变化曲线，输入电流范围为1μA～100 mA。
    电流匹配精度误差可表示为：

    
    电流镜的电流匹配精度误差如表1所示。测试结果表明，在输入电流小于10 mA时，电流镜的电流匹配精度误差小于0．016 9／6，即使在输入电流为100 mA时，精度误差也小于0．2％。

    蒙特卡洛分析是用于衡量器件特性值对电路性能影响的一种测试方法。在每个蒙特卡洛分析中，器件的特征值被当作潜在影响测试结果的因素并进行分类，由于测试是随机选取样本，各个特征值也将是随机的。在一个完整的测试结束后，可以得到一个或多个结果。每一项性质将得到一系列可被统计学统计的结果。对于电流镜而言，主要特征值包括制造中的掺杂浓度的分析，内部电源电压的偏差和外界的温度变化等。

    图8是在室温，输入电流为10 mA情况下，选取50块电流镜芯片对其输出电流测试的结果。
    最大输出电流为10．026 41 mA，最小输出电流为9．977 69 mA，平均输出电流为9．997 85 mA。
    电流镜的电流一致性误差可表示为：

4 结 语
    在此设计的采用折叠式共源共栅放大器负反馈的电流镜，在保证较大输出电压摆幅的情况下，大大提高了电流镜的输出阻抗和电流匹配精度。通过测试结果可以看到，电流镜的输出阻抗达到200MΩ，输入电流Iin在小于10mA时，电流匹配精度误差小于0.016%；输出电压摆幅为0.2~5V，具有很好的线性度；通过蒙特卡洛测试出的芯片电流一致性误差小于0.5%。测试结果表明，设计的电路能够满足高输出阻抗、高摆幅、高电流匹配精度，高电流一致性以及高输出电流的要求。