一種大電流高輸出阻抗電流鏡的設(shè)計(jì)

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。