CN102331809A

CN102331809A - 一种具有栅极漏电补偿的电流镜电路

Info

Publication number: CN102331809A
Application number: CN201110196909A
Authority: CN
Inventors: 郭亚炜; 李立; 程旭; 曾晓洋
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明属于半导体和集成电路技术领域，具体为一种具有栅极漏电补偿的电流镜电路。该电流镜电路由参考电流输入级和镜像电流输出级以及一个运算放大器构成。运算放大器具有正负两个输入端和一个输出端。从参考电流输入级输入参考电流，而运算放大器的正输入端连接在参考电流输入级的输入端。运算放大器的输出端和负输入端连接，构成单位增益放大器，即闭环增益为一。运算放大器的输出端也连接参考电流输入级和镜像电流输出级的公共节点，即MOS管栅极。本发明中运算放大器的输出电流可以补偿MOS管栅极的漏电，使得参考电流输入级和镜像电流输出级之间保持正确的电流镜像比例，并使得从电源到地之间叠加使用的MOS管数量更多。

Description

一种具有栅极漏电补偿的电流镜电路

技术领域

本发明属于半导体和集成电路技术领域，具体涉及集成电路中的一种电流镜电路。

背景技术

随着半导体工艺进入超深亚微米（UDSM）时代，CMOS（互补金属氧化物半导体）电路的电源电压越来越低，从1.2V到1V不等。MOS（金属氧化物半导体）管的栅氧化层仅大约2nm至3nm，也就是说只有几个原子的厚度。如此低的电源电源电压，如此薄的栅氧化层，给CMOS集成电路设计带来严峻的挑战。

电流镜电路在集成电路中以一定的比例产生正比于输入参考电流的输出电流。最简单的电流镜电路由两个MOS管组成，其中一个MOS管作为输入参考电流支路，另一个MOS管作为镜像电流输出支路。略微复杂的电流镜电路，其输入参考电流支路由两个、或者三个、甚至更多的MOS管构成一个共源共栅电路（CASCODE）。这种情况下，镜像电流输出支路也采用同样的共源共栅电路。在较陈旧的半导体工艺中，由于电源电压较高，栅氧化层较厚，这些传统的电流镜电路一般可以获得良好的性能。

在超深亚微米时代，栅氧化层厚度降低带来的直接后果就是栅氧化层的漏电大大增加。于是电流镜电路的输入参考电流的一部分流经所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极，而没有全部进入MOS管的漏极，于是破坏了电流镜电路的镜像比例。通常在这种情况下，电流镜电路的镜像比例小于预期。

在传统的电流镜电路中（如图1所示），有一种技术可以减小上述镜像比例的误差。在电流镜的输入端和所述第一个MOS管MP1、第二个MOS管MP2的栅极之间连接一个源级跟随器。源级跟随器由一个与第一个、第二个MOS管同类型的MOS管MP5构成。这个MOS管MP5的栅极（源级跟随器的输入）连接电流镜电路的输入端，这个MOS管MP5的源级（源级跟随器的输出）连接所述第一个MOS管MP1、第二个MOS管MP2的栅极。所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极漏电流来自源级跟随器的输出，而非参考电流的一部分。这样就消除了上述镜像比例的误差。但是使用源级跟随器的技术，在电流镜电路的输入端和所述第一个MOS管MP1、第二个MOS管MP2的栅极之间存在一个栅源电压（V_GS）。于是从电流镜输入端到电源（或者从电流镜输入端到地）存在至少两个栅源电压。在超深亚微米集成电路设计中，这严重限制了从电源到地之间可以叠加使用的MOS管数量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有栅极漏电补偿的电流镜电路，使得从电源到地之间叠加使用的MOS管数量更多。

本发明提供具有栅极漏电补偿的电流镜电路，由参考电流输入级和镜像电流输出级，以及一个运算放大器210构成。运算放大器210具有正负两个输入端和一个输出端。从参考电流输入级输入参考电流，而运算放大器210的正输入端连接在参考电流输入级的输入端。运算放大器210的输出端和负输入端连接，构成单位增益放大器，也就是闭环增益为一。运算放大器210的输出端也连接参考电流输入级和镜像电流输出级的公共节点，即第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极。于是运算放大器的输出电流可以补偿MOS管栅极的漏电，使得参考电流输入级和镜像电流输出级之间保持正确的电流镜像比例，且与栅极漏电无关。进一步，参考电流输入端的电压等于第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2栅极的电压，本发明不仅补偿栅极漏电，使得电流镜像比例与栅极漏电无关，而且与传统技术相比减少了一个栅源电压。

本发明中，所述具有栅极漏电补偿的电流镜电路，参考电流输入级和镜像电流输出级为同类型的MOS管，即同为PMOS管，或同为NMOS管。

本发明中，所述具有栅极漏电补偿的电流镜电路，参考电流输入级由第一个MOS管MP1组成，镜像电流输出级由第二个MOS管MP2组成。如果所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2为PMOS管，那么其源极连接到电源；如果所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2为NMOS管，那么其源级连接到地。

本发明中，所述具有栅极漏电补偿的电流镜电路，参考电流输入级中所述第一个MOS管MP1的漏极连接第三个MOS管MP3的源级，镜像电流输出级中所述第二个MOS管MP2的漏极连接第四个MOS管MP4的源级，所述第三个MOS管MP3和第四个MOS管MP4的栅极均连接在第一个公共的偏置电压节点，也就是说参考电流输入级和镜像电流输出级分别由共源共栅电路组成。依此类推，参考电流输入级和镜像电流输出级可以分别由叠加更多MOS管的共源共栅电路组成。

本发明中，所述具有栅极漏电补偿的电流镜电路，参考电流输入级的输入端，就是所述第一个MOS管MP1的漏极；如果参考电流输入级是共源共栅电路，参考电流输入级的输入端也就是所述第三个MOS管MP3的漏极；如果是更多个MOS管叠加的共源共栅电路，那么依此类推。由于运算放大器闭环负反馈的作用，参考电流输入级的输入端的电压等于所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极电压。

本发明中，所述具有栅极漏电补偿的电流镜电路，可以具有多个镜像电流输出级，每个镜像电流输出级具有相同的电路结构。

本发明提供具有栅极漏电补偿的电流镜电路。如果是PMOS管组成的电流镜电路，可使得从电源到参考电流输入级之间需要的电压降较传统技术减少一个栅源电压；如果是NMOS管组成的电流镜电路，可使得从参考电流输入级到地线之间需要的电压降较传统技术减少一个栅源电压。

附图说明

图1 传统的具有栅极漏电补偿的电流镜电路图。

图2 本发明具有栅极漏电补偿的电流镜电路。

图3 采用共源共栅电路的具有栅极漏电补偿的电流镜。

图4 本发明使用的运算放大器的实施方式举例。

图5和图6 针对图2和图3所示电流镜电路的频率补偿方式举例。

具体实施方式

图1是补偿电流镜电路栅极漏电的传统技术100。所述第一个MOS管MP1构成参考电流输入级，参考电流IREF从第一个MOS管MP1的漏极流出；所述第二个MOS管MP2构成镜像电流输出级，输出电流IOUT从第一个MOS管MP2的漏极流出。就电路设计和集成电路设计领域一般的公共知识而言，当然可以在第一个MOS管MP1的漏极和第二个MOS管MP2的漏极分别叠加另一个MOS管，使得参考电流输入级和镜像电流输出级分别由共源共栅电路组成。在图1中，从电源VDD到参考电流输入端需要两个栅源电压，即VGS,MP1 + VGS,MP3。在超深亚微米工艺时代，集成电路内核的电源电压越来越低，从1.2V到1.0V不等，有些情况下甚至更低。而出于减小MOS管沟道漏电的需要，MOS管的阈值电压不能任意减小。于是从电源到地线之间可以叠加的MOS管数量非常有限。本发明从电源VDD到参考电流输入端仅需要一个栅源电压，即V_GS,MP1，更适合超深亚微米集成电路设计。

图2是本发明的具有栅极漏电补偿的电流镜电路200。第一个MOS管MP1构成电流镜的参考电流输入级，第二个MOS管MP2构成电流镜的镜像电流输出级。参考电流为I_REF，镜像电流为I_OUT。与图1传统补偿技术的电流镜100不同，图2中电流镜电路200的输入端（参考电流输入端）连接到运算放大器210的正输入端，第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极与运算放大器210的输出端和负输入端相连接。依据运算放大器负反馈的原理，运算放大器210的闭环增益为1，使得第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极电压等于电流镜电路200的输入端的电压。这样从电源VDD到电流镜电流200的输入端仅需要一个栅源电压，即V_GS,MP1。运放的输出电流补偿了第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极漏电，使得电流镜电路200的输出电流I_OUT与参考电流I_REF成正比，而与第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极漏电无关。

图3是本发明具有栅极漏电补偿的电流镜电路的另一种实施方式，即具有栅极漏电补偿的共源共栅电流镜电路300。共源共栅电流镜电路300比电流镜电路200多两个MOS管MP3和MP4，第三个MOS管MP3的源级连接所述第一个MOS管MP1的漏极，第四个MOS管MP4的源级连接第二个MOS管MP2的漏极，第三个MOS管MP3和第四个MOS管MP4的栅极由一个固定偏置电压Vbias偏置。这种共源共栅电流源常用于减小MOS管有限输出电阻引起的电流比例误差。当然在超深亚微米工艺，这种共源共栅电流镜电路也存在第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极漏电。本发明的改进在于采用运算放大器210补偿第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极漏电，消除由于MOS管栅极漏电引起的电流镜比例误差。与图2中电流镜电路210补偿栅极漏电的原理相同，运算放大器210的正输入端连接在电流镜电路的输入端，运算放大器210的输出端连接在第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极，同时运算放大器210连接成闭环增益等于1的单位增益放大器。于是第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极电压等于电流镜电路300的输入端的电压，从电源VDD到电流镜电路300的输入端需要一个栅源电压，即V_GS,MP1。

图4是前述图2和图3本发明具有栅极漏电补偿的电流镜电路（共源共栅电流镜电路）中运算放大器210的实施方式举例。图4中运算放大器210为一NMOS输入差分对和PMOS电流镜作为负载构成的单级CMOS运算放大器。采用这一较简单运算放大器结构的好处在于较容易工作于很低的电源电压，适合超深亚微米集成电路设计。利用负反馈原理，这一单级CMOS运算放大器可以很方便的构成单位增益放大器，使得运算放大器的输出电压等于正输入端电压。使用其他的一些运算放大器，也可以构成单位增益负反馈的形式，使得运算放大器的输出电压等于正输入端电压。

本发明为了补偿MOS管栅极漏电，增加了运算放大器210。运算放大器210和参考电流输入级的MOS管MP1（对于共源共栅电路为MOS管MP1和MP3）构成一个两级环路，因此必需考虑环路的稳定性问题，加以适当的频率补偿。

图5和图6是本发明具有栅极漏电的电流镜电路频率补偿的实施举例。图5中补偿电容C_C连接在运算放大器210的输出端和电源之间。在运算放大器的输出端的极点为

Figure 2011101969095100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

等式（1）中g_m,amp为运算放大器210的输入差分对的跨导，C_g为所述第一个MOS管MP1和第二个MOS管MP2的栅极电容。适当增大C_C可以使得环路具有足够稳定的相位裕度。

图6中补偿电容C_C连接在第一个MOS管MP1的栅极和电流镜电路输入端（MP1的漏极）之间，利用MOS管MP1的高输出阻抗和高增益产生的密勒效应实现频率补偿。运算放大器输出端的极点为

Figure 2011101969095100002DEST_PATH_IMAGE004

（2）

等式（2）中由于第一个MOS管MP1的密勒效应，补偿电容C_C的等效值被放大了。于是采用较小的电容即可以使得环路具有足够稳定的相位裕度。

对于任何熟知集成电路设计技术的人员，可知本发明所述图2到图5各例均可以用NMOS管代替PMOS管，以地线代替电源。以PMOS管实现的电流镜电路，其参考电流和输出电流流出PMOS管的漏极；以NMOS管实现的电流镜电路，其参考电流和输出电流流入NMOS管的漏极。图4和图5关于频率补偿的实施举例，也可以有其他种种变化。总之，图2到图5仅是本发明的实施举例，本发明权利要求范围内的具体实施的形式和细节不限于图2到图5各例。

Claims

1.一种具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于由参考电流输入级和镜像电流输出级，以及一个运算放大器构成；所述运算放大器具有正负两个输入端和一个输出端，从参考电流输入级输入参考电流，运算放大器的正输入端连接在参考电流输入级的输入端；运算放大器的输出端和负输入端连接，构成单位增益放大器，即闭环增益为一；运算放大器的输出端连接参考电流输入级和镜像电流输出级的公共节点，即MOS管栅极。

2.如权利要求1所述的具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于所述参考电流输入级和镜像电流输出级为同类型的MOS管，即同为PMOS管，或同为NMOS管。

3.如权利要求1或2所述的具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于所述参考电流输入级由第一个MOS管组成，镜像电流输出级由第二个MOS管组成；当所述第一个MOS管和第二个MOS管为PMOS管时，其源极连接到电源；当所述第一个MOS管和第二个MOS管为NMOS管时，其源级连接到地。

4.如权利要求3所述的具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于所述参考电流输入级中，所述第一个MOS管的漏极连接第三个MOS管的源级；所述镜像电流输出级中，所述第二个MOS管的漏极连接第四个MOS管的源级，所述第三个MOS管和第四个MOS管的栅极均连接在第一个公共的偏置电压节点，即参考电流输入级和镜像电流输出级分别由共源共栅电路组成；依此类推，参考电流输入接和镜像电流输出级分别由叠加更多MOS管的共源共栅电路组成。

5.如权利要求4所述的具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于所述参考电流输入级的输入端，就是所述第一个MOS管的漏极；如果参考电流输入级是共源共栅电路，所述参考电流输入级的输入端就是所述第三个MOS管的漏极；如果是更多个MOS管叠加的共源共栅电路，依此类推。

6.如权利要求1所述的具有栅极漏电补偿的电流镜电路，其特征在于所述镜像电流输出级有多个，每个镜像电流输出级具有相同的电路结构。