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(xiàn)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(tǒng)的性能都有重要的影響。為了適應各種電路及系統(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、自校準電流源等使用結(jié)構(gòu)簡單的電流鏡，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(shù)，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(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管的寬長比；λ為溝道長度調(diào)制系數(shù)。對于較長的溝道，λ值比較小，因此忽略溝道調(diào)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(jié)構(gòu)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：

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(qū)，輸出電壓必須大于VT+2VOV，其中VT為管子的閾值電壓；VOV為管子的過驅(qū)動電壓，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，M6三個管子構(gòu)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(jié)構(gòu)電流鏡的輸出阻抗為：

通過調(diào)節(jié)M4和M6的寬長比可以實現(xiàn)|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(fā)生變化時，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，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>