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摘要： 介绍一款高精度、宽摆幅电流镜。为减小普通电流镜由沟道长度调制效应而产生的误差，在电流复制输出端使用NMOS共源共栅管，增加输出电阻降低负载对电流镜的影响，同时在电流镜输出端增加一个增益放大电路即一个CS放大器，进一步以高输出电阻。为增益提高运放正常工作，利用PMOS管来达到电平移位的功能。最后通过spice的仿真验证本设计的电流镜相对于基本电流镜其精确度大大提高，最小输出电压为过驱动电压的两倍，其值因不同电路而异。
关键词： 电流镜；高精度；宽幅；CMOS
中图分类号：TN386文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510046－02
0 引言
电流镜是一种用来对已给定驱动电流进行复制的电路。目前，在模拟与数字电路的设计中已经越来越多的使用了电流镜，因此电流镜的好坏对整个电路系统来说都是非常重要的。但随着技术与时代的进步，迫切需要更高性能的电路，其中便包括电流镜。因此本文在分析传统电流镜的利弊基础上，提出了一款自行设计的高精度、宽幅电流镜。
1 基本电流镜
对于一般放大器来说，常使用差分对做输入级，可降低共模干扰，而有源电流镜广泛应用于差分电路中，精确的复制电流而受工艺与温度的影响较小。下面介绍一下传统电流镜[1]。
参考图1，当不考虑沟道长度调制效应时， 可由精确复制而来。
流的复制产生较大的误差，尤其是在如今深亚微米工艺中，为了得到最小的器件电容而使用最小长度器件时，L越小，受短沟道效应影响就越大，导致复制的误差也越大。
为解决图1中由沟道长度调制效应而带来的影响，共源共栅电源电路因共栅管的隔离作用而得到了广泛应用，如图2。图中共源共栅管 起到了隔绝作用，使 的漏电压受负载影响非常小。只要使漏源电压和物理尺寸相同， 便可由精确复制而来了。但是最小输出电压
， ，
此电流镜是以消耗更多的电压余度来获得高精度的。
为消除上诉精度与余度的矛盾，我们对输入输出短接的共源共栅结构而构成的低压共源共栅进行讨论，如图3。为使 饱和，的取值范围为： 。当所有MOS管都工作在饱和区，共源共栅电流源消耗的电压余度最小，最小为
2 高精度宽幅电流镜
2.1 理论分析
如图4所示，组成基本电流镜。但由于此种结构受负载变化的影响大，因此我们在 上接了一个共源共栅管起隔离作用，利用其屏蔽特性，使 受 的影响减小。很显然，若B点电压变化 ，则有
。其中，记A为放大器的增益为
。当然，放大器正常工作还必需保证处于饱和区，即
，同样假设=0.2V，则0.2= 很显然，能够满足。
当然，此种结构本文已经讨论过其电流复制精度不高，因此在其基础上可增加一个放大器来提高输出电阻，从图中可看出，放大器由
组成，连接放大器后其输出电阻为 。在此放大器中，PMOS管 起着一个电平移位作用。为方便计算和得到宽摆幅，使用Cadence 软件中BSIM模型参数[2]， 的阈值电压为-0.67V。那么若
处在饱和区，如图则有，而其中
。同时假设 。则
可得到 ，则，则保证了 处于开启状态。
2.2 仿真精度及最小输出电压
以下将通过Cadence Spice进行仿真。首先对和复制电流进行仿真。此设计采用的是1μm的工艺。通过扫描，即从0A变化到200uA，来观察复制电流的变化，如图5所示。其中设置 的长L相同，宽W成一定的比例。
从图5可以看出此电路结构确实可以精确复制电流，其中为一常数。
通过理论推导已经知道B点的最小输出电压是 和 的过驱动电压之和，在EKV[3]模型中MOS管偏置在中等反型区可以获得低压低功耗的要求，输出信号失真小过驱动电压小，所以在一般電路应用中都选择偏置在中等反型区。所以上诉的高精度电流镜的最小输出电压可以为0.22mv～0.4mv[4]之间，因应用场合的需求而定。
接下来观察随着负载 的变化，电压 的变化。仿真结果如图6所示。可以发现，随着负载的变化， 的确受到了负载变化的影响，但是其影响是比较小的，负载从0变化至50kΩ，而电压 只变化了约3mV，因此，由于沟道长度调制效应不明显，导致电流的不匹配小。
3 总结
本文分析了基本电流镜的性能特征，着重讨论在此基础上提出的一种高输出阻抗的高精度宽幅电流镜，由于增益放大电路的引进大大的增加了输出阻抗，提高了电流复制精度，使性能得到了很大的提高，最后的仿真结果证明了电路设计的成功。由于电路的宽幅特性，当电路工作在中等反型区时，能用于构建低压低功耗（LVLP）系统[5]。
参考文献：
[1]Behzad Razavi ， Design of Analog CMOS Integrated Circuits， The McGraw-Hill Companies， Inc. 2001.
[2]D.P.Foty MOSFET “Modeling with SPICE.” Upper Saddle River NJ： Prentice-Hall， 1997.
[3]http：//legwww.wpfl.ch/ekv/model.html The EKV MOSFET Model for circuit Simulation.
[4]Willy Sansen “ Analog Design Essentials” springer 2006.
[5]王建平、黄孝兵、李跃峰，一种改进型高输出阻抗宽幅电流镜，四川省电子学会半导体与集成技术专委会，2006年度学术会论文集，2006年12月.
[6]Louis-Francois Tanguay， Mohamad Sawan， Yvon Savaria， A Very-High Output Impedance Current Mirror for Very-Low Voltage Biomedical Analog Circuits.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词： 电流镜；高精度；宽幅；CMOS
中图分类号：TN386文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510046－02
0 引言
电流镜是一种用来对已给定驱动电流进行复制的电路。目前，在模拟与数字电路的设计中已经越来越多的使用了电流镜，因此电流镜的好坏对整个电路系统来说都是非常重要的。但随着技术与时代的进步，迫切需要更高性能的电路，其中便包括电流镜。因此本文在分析传统电流镜的利弊基础上，提出了一款自行设计的高精度、宽幅电流镜。
1 基本电流镜
对于一般放大器来说，常使用差分对做输入级，可降低共模干扰，而有源电流镜广泛应用于差分电路中，精确的复制电流而受工艺与温度的影响较小。下面介绍一下传统电流镜[1]。
参考图1，当不考虑沟道长度调制效应时， 可由精确复制而来。
流的复制产生较大的误差，尤其是在如今深亚微米工艺中，为了得到最小的器件电容而使用最小长度器件时，L越小，受短沟道效应影响就越大，导致复制的误差也越大。
为解决图1中由沟道长度调制效应而带来的影响，共源共栅电源电路因共栅管的隔离作用而得到了广泛应用，如图2。图中共源共栅管 起到了隔绝作用，使 的漏电压受负载影响非常小。只要使漏源电压和物理尺寸相同， 便可由精确复制而来了。但是最小输出电压
， ，
此电流镜是以消耗更多的电压余度来获得高精度的。
为消除上诉精度与余度的矛盾，我们对输入输出短接的共源共栅结构而构成的低压共源共栅进行讨论，如图3。为使 饱和，的取值范围为： 。当所有MOS管都工作在饱和区，共源共栅电流源消耗的电压余度最小，最小为
2 高精度宽幅电流镜
2.1 理论分析
如图4所示，组成基本电流镜。但由于此种结构受负载变化的影响大，因此我们在 上接了一个共源共栅管起隔离作用，利用其屏蔽特性，使 受 的影响减小。很显然，若B点电压变化 ，则有
。其中，记A为放大器的增益为
。当然，放大器正常工作还必需保证处于饱和区，即
，同样假设=0.2V，则0.2= 很显然，能够满足。
当然，此种结构本文已经讨论过其电流复制精度不高，因此在其基础上可增加一个放大器来提高输出电阻，从图中可看出，放大器由
组成，连接放大器后其输出电阻为 。在此放大器中，PMOS管 起着一个电平移位作用。为方便计算和得到宽摆幅，使用Cadence 软件中BSIM模型参数[2]， 的阈值电压为-0.67V。那么若
处在饱和区，如图则有，而其中
。同时假设 。则
可得到 ，则，则保证了 处于开启状态。
2.2 仿真精度及最小输出电压
以下将通过Cadence Spice进行仿真。首先对和复制电流进行仿真。此设计采用的是1μm的工艺。通过扫描，即从0A变化到200uA，来观察复制电流的变化，如图5所示。其中设置 的长L相同，宽W成一定的比例。
从图5可以看出此电路结构确实可以精确复制电流，其中为一常数。
通过理论推导已经知道B点的最小输出电压是 和 的过驱动电压之和，在EKV[3]模型中MOS管偏置在中等反型区可以获得低压低功耗的要求，输出信号失真小过驱动电压小，所以在一般電路应用中都选择偏置在中等反型区。所以上诉的高精度电流镜的最小输出电压可以为0.22mv～0.4mv[4]之间，因应用场合的需求而定。
接下来观察随着负载 的变化，电压 的变化。仿真结果如图6所示。可以发现，随着负载的变化， 的确受到了负载变化的影响，但是其影响是比较小的，负载从0变化至50kΩ，而电压 只变化了约3mV，因此，由于沟道长度调制效应不明显，导致电流的不匹配小。
3 总结
本文分析了基本电流镜的性能特征，着重讨论在此基础上提出的一种高输出阻抗的高精度宽幅电流镜，由于增益放大电路的引进大大的增加了输出阻抗，提高了电流复制精度，使性能得到了很大的提高，最后的仿真结果证明了电路设计的成功。由于电路的宽幅特性，当电路工作在中等反型区时，能用于构建低压低功耗（LVLP）系统[5]。
参考文献：
[1]Behzad Razavi ， Design of Analog CMOS Integrated Circuits， The McGraw-Hill Companies， Inc. 2001.
[2]D.P.Foty MOSFET “Modeling with SPICE.” Upper Saddle River NJ： Prentice-Hall， 1997.
[3]http：//legwww.wpfl.ch/ekv/model.html The EKV MOSFET Model for circuit Simulation.
[4]Willy Sansen “ Analog Design Essentials” springer 2006.
[5]王建平、黄孝兵、李跃峰，一种改进型高输出阻抗宽幅电流镜，四川省电子学会半导体与集成技术专委会，2006年度学术会论文集，2006年12月.
[6]Louis-Francois Tanguay， Mohamad Sawan， Yvon Savaria， A Very-High Output Impedance Current Mirror for Very-Low Voltage Biomedical Analog Circuits.
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