一種大電流高輸出阻抗電流鏡的設(shè)計(jì)

熊 林 呂 堅(jiān) 蔣亞東

摘 要:設(shè)計(jì)一種增強(qiáng)型的共源共柵電流鏡。通過放大器的負(fù)反饋,這里設(shè)計(jì)的電流鏡在不增大基本電流鏡輸入阻抗的基礎(chǔ)上,具有比傳統(tǒng)電流鏡更高的輸出阻抗和更高的電流匹配精度,同時(shí)該電流鏡也有高于傳統(tǒng)共源共柵電流鏡的輸出電壓擺幅。采用CSMC 0.5 μm CMOS工藝,在3.3 V電源電壓,輸入電流為10 mA時(shí),該電流鏡的輸出阻抗達(dá)到200 MΩ以上,輸出電壓擺幅為0.2～5 V,電流匹配精度誤差小于0.016%,電流一致性誤差小于0.5%。

關(guān)鍵詞:電流鏡;高輸出阻抗;高電流匹配;高電流一致性

中圖分類號(hào):TN432

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的誤差[2,3],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)簡單的電流鏡,而轉(zhuǎn)換器等要求高性能電流鏡。LED(Light 〦mitting 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)[4]。這里在分析了基本電流鏡[5]和DMCM(Dynamic Matching Current Mirror)電流鏡[6]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:

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,其中由玍゜1,玍゜2,玍゜3由外部偏置產(chǎn)生。折疊式共源共柵放大器能夠通過負(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。

可見本文設(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的柵源電壓沒有發(fā)生變化,那么流過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,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玍〥1=玍〥2,即玍〥S1=玍〥S2,電流鏡的匹配精度也不會(huì)隨輸入電流獻(xiàn)﹊n的變化而改變。

由于放大器輸入失調(diào)的存在,導(dǎo)致玍〥S1和玍〥S2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(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)帶來大的一致性誤差。

在圖3的電路中,只要滿足玍﹐ut≥玍㎡V2+玍㎡V4,M2和M4就可以在飽和區(qū)正常工作。通過調(diào)整M2和M4的寬長比使得過驅(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0.5 μm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;在獻(xiàn)﹊n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,獻(xiàn)﹊n=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。

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%,即使在輸入電流為100 mA時(shí),精度誤差也小于0.2%。

輸入電流匹配精度誤差[]輸入電流匹配精度誤差

蒙特卡洛分析[8]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。

4 結(jié) 語

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,大大提高ぜ成電路設(shè)計(jì)廖 敏等:一種二階曲率補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)。