一種大電流高輸出阻抗電流鏡的設計

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：

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)可計算出改進的電流鏡的輸出阻抗為：

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(fā)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(wěn)定A點的電壓。另外，即使輸入電流發(fā)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(qū)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(qū)時，電流鏡也同樣具有較高的輸出阻抗。