CN102809982A - 低压电流镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电流镜，是针对现有的共源共栅电流镜的电压余度浪费了一个阈值电压，造成的降低输出电压摆幅的问题而提出的，包括：输入电流源，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管。本发明的低压电流镜采用共源共栅输出结构，输出电阻很大，使得输出电流受负载的影响较小，从而电流镜的镜像精度很高；同时该结构合理利用沟道长度调制效应，相对于共源共栅电流镜结构，降低了一个阈值电压的余度，增大了输出电压摆幅。

Description

低压电流镜

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及电流镜的设计。

背景技术

电流镜是模拟电路中不可缺少的模块，它既可以作为偏置单元，也可以作为信号处理单元，其性能对整个电路的实现起着非常关键的作用。

图1是现有的一种MOS电流镜示意图，由输入电流源I_in和NMOS管M1、M2组成，其中输入电流源I_in是由电路中的基准电流源产生。图1的基本原理是保证M1和M2管的栅源电压V_GS一致，忽略沟道长度调制效应，从而根据MOS管的I-V平方律：

$I_D=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

得到： $I_{\mathrm{out}}=\frac{{(W/L)}_2}{{(W/L)}_1}{I}_{\mathrm{in}}$

其中，C_OX表示单位面积的栅氧化层电容，μ表示MOS管中载流子的迁移率，W表示MOS管的宽，L表示MOS管的长，V_GS表示MOS管的栅源电压，V_TH表示MOS管的阈值电压，I_D表示流过MOS管的漏极电流。可以看出通过合理设置M1和M2的宽长比，就能得到和基准电流成一定比例的输出电流，从而满足后续电路的使用。

上述传统MOS电流镜易受工艺的影响，随着工艺中最小尺寸的降低，尤其是在使用最小长度晶体管以便通过减小宽度来减小电流镜的输出电容时，不能忽略沟道长度调制效应，这时，MOS管的I-V平方律关系修正为

从而使得镜像的输出电流存在极大的误差。

为了抑制沟道长度调制效应，可以使用共源共栅结构，如图2所示，P点电压为V_p=V_GS2+V_GS1-V_GS3=V_DS1，合理选择M1和M3的参数，使V_GS1=V_GS3，则V_DS4=V_DS1，从而抑制了沟道长度调制效应，同时，相对于传统的MOS电流镜，共源共栅电流镜的输出阻抗大大提高，于是减小了负载对输出电流的影响，从而提高了电流镜的镜像精度。

虽然上述共源共栅电流镜提供了高的镜像精度，但是却以消耗电压余度作为代价，如图2所示，输出电压的最小值V_out(min)=V_GS1+V_ON3=2V_ON+V_TH，其中V_out(min）指输出点P的最小电压，V_GS1指NMOS管M1的栅源电压，V_ON指NMOS管M1和M3的过驱动电压，V_TH是NMOS管的阈值电压，上式合理设置参数使得NMOS管M1和M3的过驱动电压相等，从公式中可以得出，电压余度浪费了一个阈值电压，输出电压摆幅降低，不适合低压电路的使用。

在低压应用中，由于沟道调制效应的影响，基本电流镜的镜像精度较低；而共源共栅电流镜消耗了过多的电压余度，使得输出电压摆幅降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的共源共栅电流镜的电压余度浪费了一个阈值电压，造成的降低输出电压摆幅的问题，提出了一种低压电流镜。

本发明的技术方案为：一种低压电流镜，具体包括：输入电流源，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，

其中，

所述输入电流源，跨接在第一PMOS管的漏极和地电位之间；

所述第一PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，栅极和漏极短接，并接至第二PMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极；

所述第二PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，漏极接第一NMOS管漏极；

所述第三PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，漏极接第三NMOS管的漏极。

所述第一NMOS管的栅漏短接，并接第二NOMS管的栅极、第四NOMS管的栅极，源极和衬底接地；

所述第二NMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，源极和衬底接地；

所述第三NMOS管的栅极和漏极短接，并接第五NMOS管的栅极，衬底接地；

所述第四NMOS管漏极接第五NMOS管的源极，源极和衬底接地；

所述第五NMOS管的衬底接地，漏极作为所述低压电流镜的输出端。

本发明的有益效果：本发明的低压电流镜采用共源共栅输出结构，输出电阻很大，使得输出电流受负载的影响较小，从而电流镜的镜像精度很高；同时该结构合理利用沟道长度调制效应，相对于传统的共源共栅电流镜结构，降低了一个阈值电压的余度，输出端消耗的电压余度降低到2V_ON，增大了输出电压摆幅。本发明的低压电流镜特别适合于低压、低功耗电路中。

附图说明

图1为现有的第一种MOS电流镜结构示意图。

图2为现有的第二种共源共栅的电流镜结构示意图。

图3为本发明的实施例的低压电流镜结构示意图。

图4为本发明实施例的低压电流镜输出电流随输出电压变化的波形图。

图5为本发明实施例的低压电流镜输出电流随输入电流的变化的波形图。

具体实施方式

以下实施例的说明中，各器件参数都已设定，结合实施例的仿真结果，对本发明进行了更加详细的描述和说明。然而，本专业的技术人员会认识到，本发明也可以用其它相类似的细节实施。

为了平衡镜像精度和电压余度对电路的影响，满足低压应用，在不损害电路精度的同时，降低电路消耗的电压余度，提高电路的输出摆幅，致使低压电流镜的设计成为必要。

本发明的提出一种新的低压电流镜结构，保证电流镜像精度的同时，降低电路消耗的电压余度，提高电路的输出电压摆幅，减小负载对输出电流的影响。此电路特别适用于低压、低功耗的便携式结构。具体如图3所示，包括：输入电流源I_in、PMOS管MP1、MP2和MP3，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4和MN5，具体连接关系如下：

输入电流源I_in，跨接在第一PMOS管MP1的漏极和地之间，由基准电流源产生，作为低压电流镜电路中的输入电流，其大小决定了镜像结构中各管子的参数设计，不同范围的I_in对应不同的宽长比，以此确保输出电流I_out的精度和输出电压的摆幅，关于这点属于本领域的现有技术，在此不再详细描述。

PMOS管MP1，其源极和衬底接外部电源电压VDD，抑制体效应；其栅漏短接，并接至第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3的栅极，以及输入电流源I_in的一端，将电流I_in镜像到第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3支路。

PMOS管MP2的源极和衬底接外部电源电压VDD，抑制体效应；其栅极接第一PMOS管MP3的栅极，镜像输入电流I_in；其漏极接第一NMOS管MN1漏极。

PMOS管MP3的源极和衬底接外部电源电压VDD，抑制体效应；其栅极接第一PMOS管MP1的栅极，镜像输入电流I_in，其漏极接第三NMOS管的漏极。

NMOS管MN1的栅漏短接，并接第二PMOS管MP2的漏极，以及第二NMOS管MN2、第四NOMS管MN4的栅极，将电流镜像到第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4支路；其源极和衬底接地，抑制体效应。

NMOS管MN2的漏极接第三NMOS管MN3的源极；其栅极接第一NMOS管MN1的栅极，镜像流过第一NMOS管MN1支路电流；其源极和衬底接地，抑制体效应。

NMOS管MN3的漏极串接第三PMOS管MP3漏极；其栅极和漏极短接，并接第五NMOS管MN5的栅极；其源极串接第二NMOS管MN2的漏极；其衬底接地。

NMOS管MN4的漏极接第五NMOS管MN5的源极；其栅极接第一NMOS管MN1的栅极，镜像第一NMOS管MN1支路电流；其源极和衬底接地，抑制体效应。

NMOS管MN5的栅极接第三NMOS管MN3的栅极；其源极串接第四NMOS管MN4的漏极；其衬底接地，其漏极作为输出点P，且P点电压为V_out，流过第五MN5、第四NMOS管MN4支路的电流作为输出电流I_out。

作为一种优选方案：第二PMOS管MP2的宽长比与第三PMOS管MP3的宽长比相等。

本发明的低压电流镜相对于图1所示的MOS电流镜，该低压电流镜电路采用共源共栅的输出结构，增加了电流镜的输出电阻，降低了负载对输出电流的影响，从而提高了电路的镜像精度。

相对于图2所示的共源共栅结构，该低压电流镜电路结构做了以下改进：增加了由第二PMOS管和第一NMOS管构成的支路；第二NMOS管的栅极并不是和漏极短接，而是接至第一NMOS管的栅极，镜像第二PMOS管和第一NMOS管的支路电流。在该结构中，第二PMOS管和第三PMOS管的宽长比设置一致，但是由于存在沟道调制效应，从图3知，第二PMOS管的漏极经第一NMOS管接地，其源漏电压为电源电压与第一NMOS管的栅源电压之差；第三PMOS管的漏极经第二NMOS管和第三NMOS管接地，其源漏电压为电源电压与第三NMOS管的栅源电压和第二NMOS管的过驱动电压之差。因此，第三PMOS管的源漏电压小于第二PMOS管的源漏电压，从而根据MOS的I-V平方律修正式，得出流过第二PMOS管的电流大于流过第三PMOS管的电流，又由于镜像关系使得流过第二NMOS管的电流与流过第二PMOS管的电流成一定的比例，同时，流过第三NMOS管的电流等于流过第三PMOS管的电流，而电路结构中，要求流过第二NMOS管和流过第三NMOS管电流相等，于是第二NMOS管的漏源电压降低，从而把流过第二PMOS管的电流按比例缩小到等于流过第三PMOS管的电流，且输出点P的电压为第二NMOS管的漏源电压、第三NMOS的栅源电压相加后，减去第五NMOS管的栅源电压，最后再加上第五NMOS管的漏源电压，合理设置第三NMOS管和第五NMOS管，即可使得第三NMOS管和第五NMOS管的栅源电压相等，从而P点的最小电压为第二NMOS管和第五NMOS管的过驱动电压之和，相对于共源共栅结构，降低了一个阈值电压的电压余度，提高了电路输出电压摆幅，进而改善了电路的性能，特别适合于低电压、低功耗的便携式应用中。

具体说明如下：

输入电流源I_in由基准电流源模块产生，其大小决定了镜像结构中各管子的参数设计，不同范围的I_in对应不同的宽长比，以此确保输出电流I_out的精度和输出电压的摆幅。本实施例中，MP1-MP3的宽长比设定为6μ/2μ；MN1-MN5的宽长比设定为5μ/2μ，I_in的范围设定为0-20μA，从仿真结果图5可以看出，当I_in在0到20μA的范围内变化时，管子的参数设置合理，输出电流I_out随输入电流的变化而变化，该实施例中设置镜像电流比为1，所以输出电流与输入电流的曲线斜率为1，I_out严格按照I_in的变化而变化，误差极小以致可以忽略。

本发明电路结构中包括两对电流镜对，第一对电流镜由MP1、MP2和MP3构成，镜像输入电流源I_in；第二对电流镜由MN1、MN2和MN4组成，两对电流镜的镜像比例都设为1，这两对电流镜将输入电流按镜像比例镜像到输出电流。设流过MP2的电流为I_D2，流过MP3的电流为I_D3，在该发明实施例中：

$I_{D2}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{SGP}2}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{SDP}2})$

其中，V_SDP2=V_DD-V_GSN1，V_SGP2表示MP2的源极和栅极电压差，V_THP表示PMOS的阈值电压，λ表示沟道长度调制系数，V_SDP2表示MP2的源极和漏极的电压差，V_GSN1表示MN1的栅源电压。

$I_{D3}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{SGP}3}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{SDP}3})$

其中，V_SDP3=V_DD-V_GSN3-V_ONN2，V_SGP3表示MP3的源极和栅极电压差，V_SDP3表示MP3的源极和漏极的电压差，V_GSN3表示MN3的栅源电压，V_ONN2表示MN2的过驱动电压。

因为V_SDP3<V_SDP2，故I_D3<I_D2。

又因流过MN2的电流镜像I_D2，故流过MN2的电流为：

$I_{\mathrm{DN}2}=I_{D2}\frac{1+\mathrm{\&lambda;}{V}_{\mathrm{DSN}2}}{1+\mathrm{\&lambda;}{V}_{\mathrm{DSN}1}}$

在由MP3、MN3和MN2组成的支路中，要求流过MN2和MN3的电流相等，即流过MN2的电流为I_D3。

综上，要求I_DN2=I_D3，即

$I_{\mathrm{DN}2}=I_{D2}\frac{1+\mathrm{\&lambda;}{V}_{\mathrm{DSN}2}}{1+\mathrm{\&lambda;}{V}_{\mathrm{DSN}1}}=I_{D3}=\frac{1}{2}\mathrm{\&mu;}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{SGP}3}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\&lambda;}{V}_{\mathrm{SDP}3})$

其中，V_SDP3=V_DD-V_GSN3-V_DSN2，I_D3<I_D2，而要使等式I_DN2＝I_D3，只能调节I_DN2中的参数(1+λV_DSN2)/(1+λV_DSN1)和I_D3中的参数(l+λV_SDP3)，即为了满足等式I_DN2＝I_D3成立，MN2管的V_DSN2必须降低，从而降低I_DN2、增大I_D3，最终使得等式I_DN2＝I_D3成立。输出端口P点的电压为V_P=V_DNS2+V_GSN3-V_GSN5+V_DSN5，式中V_DSN2降低，导致P点电压降低；同时为使电路正常工作，只需保证电路中所有的管子都工作在饱和区，V_DSN2和V_DSN5的最小值为一个过驱动电压V_ON，且合理设计参数，使得V_GSN3=V_GSN5,从而得到P点的最小工作电压为V_P(min)=2V_ON。

采用Hspice仿真，得到输出电流随输出电压变化的波形图，如图4所示，电路上电后，MN2和MN4开始工作在线性区，随着输出电压的增加，各个管子从线性区开始向饱和区转换，输出电流逐渐增大，当输出电压达到P点的最小工作电压2V_ON时，所有的MOS管都工作在饱和区，此时，输出电流准确镜像输入电流，在本实施例中，设输入电流为10μA，当输出电压增大到0.5V，即2V_ON时，输出电流稳定在10μA，且上下波动范围很小以致可以忽略，仿真结果验证了本发明结构适用于低电压情况，特别是低功耗的便携式产品。

本实施例的电流镜的输出电阻R_out=[1+（g_mn5+g_mbn5）*r_on5]*r_on4+r_on5≈g_mn5*r_on5*r_on4，其中，g_mn5表示MN5的跨导，g_mbn5表示MN5的衬底跨导，r_on5表示MN5漏源端的输出电阻，r_on4表示MN4漏源端的输出电阻。因输出电阻越大，输出电流受负载的影响越小，故输出电流的精度越高。本实施例中，设输入电流的范围为0-20μA，电流镜的镜像比例为1，I_out=I_in。输出电流随输入电流的变化波形如图5所示，从图中可以看出，输出电流随输入电流变化而变化的波形斜率近似等于1，输出电流严格的跟随输入电流的变化而变化；对于不同输入电流，为了满足电流镜的精度要求，只需调整电路中各器件参数即可实现高精度电流镜。仿真结果验证了本发明的电流镜精度很高的优点，适用于大多数低压电源供电时的电流镜电路。

综上可以看出，本发明的低压电流镜采用共源共栅输出结构，输出电阻很大，使得输出电流受负载的影响较小，从而电流镜的镜像精度很高；同时该结构合理利用沟道长度调制效应，相对于传统的共源共栅电流结构，降低了一个阈值电压的余度，输出端消耗的电压余度降低到2V_ON，增大了输出电压摆幅。本发明的低压电流镜特别适合低压、低功耗电路中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种低压电流镜，具体包括：输入电流源，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，

其中，

所述输入电流源，跨接在第一PMOS管的漏极和地电位之间；

所述第一PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，栅极和漏极短接，并接至第二PMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极；

所述第二PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，漏极接第一NMOS管漏极；

所述第三PMOS管的源极和衬底接外部电源电压，漏极接第三NMOS管的漏极。

所述第一NMOS管的栅漏短接，并接第二NOMS管的栅极、第四NOMS管的栅极，源极和衬底接地；

所述第二NMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，源极和衬底接地；

所述第三NMOS管的栅极和漏极短接，并接第五NMOS管的栅极，衬底接地；

所述第四NMOS管漏极接第五NMOS管的源极，源极和衬底接地；

所述第五NMOS管的衬底接地，漏极作为所述低压电流镜的输出端。

2.根据权利要求1所述的低压电流镜，其特征在于，所述的第二PMOS管的宽长比与第三PMOS管的宽长比相等。

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