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的性能都有重要的影響。為了適應各種電路及系統性能的要求，不同的電路需要使用不同結構的電流鏡，如放大器、比較器、自校準電流源等使用結構簡單的電流鏡，而轉換器等要求高性能電流鏡。LED(Light Emitting Diode)驅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，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，根據飽和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為溝道長度調制系數。對于較長的溝道，λ值比較小，因此忽略溝道調制效應。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。
共源共柵結構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，輸出電壓必須大于VT+2VOV，其中VT為管子的閾值電壓；VOV為管子的過驅動電壓，限制了輸出電壓擺幅。

圖2所示的DMCM結構電流鏡中，由于M3，M4，M6三個管子構成了一個負反饋，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結構電流鏡的輸出阻抗為：

通過調節M4和M6的寬長比可以實現|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的值發生變化時，VD1=VD3不能得到很好的滿足，因此DMCM結構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，輸出電壓必須大于VT十2VOV，致使輸出電壓擺幅不夠寬。