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(xiàn)或復(fù)制的電路,，能減少電壓變化和溫度變化帶來(lái)的誤差,，其性能對(duì)整個(gè)電路乃至系統(tǒng)的性能都有重要的影響。為了適應(yīng)各種電路及系統(tǒng)性能的要求,，不同的電路需要使用不同結(jié)構(gòu)的電流鏡,，如放大器、比較器,、自校準(zhǔn)電流源等使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電流鏡,，而轉(zhuǎn)換器等要求高性能電流鏡。LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動(dòng)電路要求電流鏡的輸出電流能夠達(dá)到幾十甚至上百毫安量級(jí),。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(shù),，許多研究都集中于這兩點(diǎn)。這里在分析了基本電流鏡和DMCM(Dy-namic Matching Current Mirror)電流鏡的基礎(chǔ)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(tǒng)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(jiǎn)單的電流鏡如圖1(a)所示,，MOS管M1一直處于飽和狀態(tài)，根據(jù)飽和MOS管漏源電流關(guān)系：
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(zhǎng)比；λ為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù),。對(duì)于較長(zhǎng)的溝道,，λ值比較小，因此忽略溝道調(diào)制效應(yīng),。由此可知,，如果兩個(gè)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(fù)制能力比較差。
共源共柵結(jié)構(gòu)的電流鏡具有比簡(jiǎn)單電流鏡大得多的輸出阻抗,。圖1(b)所示的為標(biāo)準(zhǔn)共源共柵電流鏡,，電流鏡的輸出阻抗為：
但是與簡(jiǎn)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(fù)制精度。另外,，為了使四個(gè)管子都處在飽和區(qū),，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(guò)驅(qū)動(dòng)電壓,，限制了輸出電壓擺幅。
圖2所示的DMCM結(jié)構(gòu)電流鏡中,，由于M3,，M4，M6三個(gè)管子構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋,，使得其輸出阻抗大大提高,，不過(guò)反饋回路的增益還存在提升空間。DM-CM結(jié)構(gòu)電流鏡的輸出阻抗為：
通過(guò)調(diào)節(jié)M4和M6的寬長(zhǎng)比可以實(shí)現(xiàn)|VGS4|=VGS6,，此時(shí)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(dǎo)會(huì)隨著Iin變化而變化,，并且兩者變化的速率不相同,，這就導(dǎo)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(fā)生變化時(shí),，VD1=VD3不能得到很好的滿足,，因此DMCM結(jié)構(gòu)電流鏡很難滿足高精度的要求。同時(shí),，為了使M4工作在飽和區(qū),，輸出電壓必須大于VT十2VOV，致使輸出電壓擺幅不夠?qū)挕?/p>
2 改進(jìn)電流鏡的設(shè)計(jì)
改進(jìn)的電流鏡如圖3所示,，它由兩個(gè)部分組成：MOS晶體管M1～M4構(gòu)成兩級(jí)型共源共柵電流鏡,；MOS晶體管M5～M14構(gòu)成折疊式共源共柵放大器，其中由Vb1，Vb2,，Vb3由外部偏置產(chǎn)生,。折疊式共源共柵放大器能夠通過(guò)負(fù)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(jiǎn)化,，如圖4所示。改進(jìn)電流鏡的輸出阻抗為：
而：
由圖4可知：
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：
同樣，將M2看成共源放大器,，有：
由式(9),，(10)可算出：
根據(jù)折疊式共源共柵放大器可知，其增益為：
將式(12)代入式(11),，得：
由式(6)和式(13)可計(jì)算出改進(jìn)的電流鏡的輸出阻抗為：
可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的電流鏡的輸出阻抗遠(yuǎn)大于原有結(jié)構(gòu)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(shè)電流鏡的輸入電流恒定,，如果由于噪聲等因素，A點(diǎn)的電壓上升,，在這種情況下,，放大器正輸入端電壓不變，負(fù)輸入端電壓增大,，必將導(dǎo)致放大器的輸出端即C點(diǎn)的電壓減小,。由于M2的柵源電壓沒(méi)有發(fā)生變化，那么流過(guò)M4的電流不會(huì)變化,，于是A點(diǎn)的電壓又會(huì)隨著C點(diǎn)電壓的減小而減小,，直到放大器正負(fù)兩端電壓相等。由此可見(jiàn),，本文設(shè)計(jì)的電流鏡在輸入電流不變的情況下能夠很好地穩(wěn)定A點(diǎn)的電壓,。另外，即使輸入電流發(fā)生變化,，由于放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔?，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(huì)隨輸入電流Iin的變化而改變,。
由于放大器輸入失調(diào)的存在，導(dǎo)致VDS1和VDS2存在接近10 mA的偏差,。在長(zhǎng)溝道情況下,，λ值通常小于0．01,，根據(jù)式(1)可知，電流誤差小于10-5量級(jí),，因此放大器的輸入失調(diào)不會(huì)帶來(lái)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(qū)正常工作,。通過(guò)調(diào)整M2和M4的寬長(zhǎng)比使得過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓均為0．1 V，在輸出電壓為0．2 V時(shí),，電流鏡仍然有非常好的輸出特性,；同時(shí)，M4工作在線性區(qū)時(shí),，電流鏡也同樣具有較高的輸出阻抗,。
3 測(cè)試結(jié)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。
對(duì)芯片的輸出電壓特性,、電流匹配精度和電流一致性進(jìn)行了測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果表明：在3．3 V電源電壓時(shí)，電流鏡的輸出阻抗達(dá)到200 MΩ以上,；在Iin為10 mA時(shí),，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(yīng)用前景。
圖6是電流鏡的輸出電壓特性的測(cè)試曲線,，其中電源電壓為3．3 V,，Iin=10 mA。測(cè)試結(jié)果顯示：電流鏡的輸出電壓擺幅為0．2～5 V,。
另外,，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算出電流鏡的輸出阻抗為：
圖7是測(cè)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：
電流鏡的電流匹配精度誤差如表1所示,。測(cè)試結(jié)果表明，在輸入電流小于10 mA時(shí),，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(shí)，精度誤差也小于0．2％,。
蒙特卡洛分析是用于衡量器件特性值對(duì)電路性能影響的一種測(cè)試方法,。在每個(gè)蒙特卡洛分析中,，器件的特征值被當(dāng)作潛在影響測(cè)試結(jié)果的因素并進(jìn)行分類，由于測(cè)試是隨機(jī)選取樣本,，各個(gè)特征值也將是隨機(jī)的,。在一個(gè)完整的測(cè)試結(jié)束后，可以得到一個(gè)或多個(gè)結(jié)果,。每一項(xiàng)性質(zhì)將得到一系列可被統(tǒng)計(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,。對(duì)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(nèi)部電源電壓的偏差和外界的溫度變化等,。
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(duì)其輸出電流測(cè)試的結(jié)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：
4 結(jié) 語(yǔ)
在此設(shè)計(jì)的采用折疊式共源共柵放大器負(fù)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(guò)測(cè)試結(jié)果可以看到,，電流鏡的輸出阻抗達(dá)到200MΩ,，輸入電流Iin在小于10mA時(shí)，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(guò)蒙特卡洛測(cè)試出的芯片電流一致性誤差小于0.5%,。測(cè)試結(jié)果表明,，設(shè)計(jì)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。