CN103186161B - 一种电流镜像电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流镜像电路，通过在电流镜像电路中设置电压复制电路和放大电路，将电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压进行放大比较，通过放大电路的负反馈机制保证电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压相等，使得电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源极、栅极、漏极电压相等，进而使得流过电流镜源端子电路的源漏电流与流过电流镜镜像端子电路源漏电流相同，避免因组成镜像电路的元器件的尺寸的影响导致电流源镜像电路的偏置电流不准的情况发生。<pb pnum="1" />

Description

一种电流镜像电路

技术领域

本发明涉及一种电流镜像电路。

背景技术

在IC设计中，为了给电路提供偏置，常常使用电流源镜像电路，请参见图1和图2，其中图1所示为镜像电流源偏置差分电路，图2所示为镜像电流源偏置单端电路。图1和图2所示的镜像电路部分M₂和M₁请参见图3，理论上流过图1和图2中的M₂和M₁的源漏电流应成比例n/m。但是M₁和M₂的源漏电流I_ds不仅仅与栅极和源极之间的电压V_gs有关系，还与漏极和源极之间的电压V_ds有关，具体如下：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{th}})}^2(1+{\mathrm{\&lambda;V}}_{\mathrm{ds}})$

其中，μ_n为MOS管的迁移率常数，C_ox为MOS管的栅氧电容常数，W/L是MOS管的宽度与长度之比，λ＝ΔL/L，V_th为开启电压，由上可知，MOS管的L值越大，受V_ds的影响越小，当MOS管在一定的尺寸范围内可以忽略V_ds对I_ds的影响，但随着工艺的进步当MOS管的栅长进入纳米级别之后，V_ds对I_ds的影响则不能忽略了，此时由于V_ds对I_ds的影响，会导致图1-图3所示的电流镜像电路中的M₂和M₁的源漏电流之比不是n/m，即导致图1-图3中所示的电流源镜像电路的偏置电流不准的情况发生。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种电流镜像电路，避免由于组成镜像电路的元器件的尺寸的影响，导致电流源镜像电路的偏置电流不准的情况  发生。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电流镜像电路，包括偏置电路和工作电路，所述偏置电路包括电流源子电路和与所述电流源子电路的输出端连接的电流镜源端子电路，所述工作电路包括电流镜镜像端子电路，所述电流镜源端子电路的输出端与所述电流镜镜像端子电路的输入端连接，所述电流镜像电路还包括电压复制电路和放大电路；所述电压复制电路用于复制所述电流镜镜像端子电路的输出端电压，其输出端与所述放大电路的第一输入端连接；所述放大电路的第二输入端连接所述电源子电路的输出端，所述放大电路的输出端作为所述第一输入端的负反馈连接所述电流镜源端子电路的输出端。

在本发明的一种实施例中，所述电流镜像电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路连接在所述电流镜源端子电路的输出端和所述电流镜镜像端子电路的输入端之间。

在本发明的一种实施例中，所述工作电路还包括负载子电路，所述电流镜镜像端子电路的输出端连接所述负载子电路；所述电流镜镜像端子电路的输入信号叠加在所述低通滤波器电路的输出电压信号上输入所述电流镜镜像端子电路。

在本发明的一种实施例中，所述电流镜源端子电路与所述电流镜镜像端子电路之间的镜像为n∶m镜像，所述n为电流镜源端子电路所包括的源端镜像支路的个数，所述m为电流镜镜像端子电路所包括的镜像端镜像支路的个数。

在本发明的一种实施例中，所述电流镜源端子电路和所述电流镜镜像端子电路为PMOS管电路或NMOS管电路。

在本发明的一种实施例中，所述电压复制电路为直流电压复制电路。

在本发明的一种实施例中，所述电压复制电路为电压比例复制电路。

在本发明的一种实施例中，所述电压复制电路包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述电流镜镜像端子电路的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。

在本发明的一种实施例中，所述电压复制电路包括寄存器和数/模转换器，所述数/模转换器的输入端与所述寄存器的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。

在本发明的一种实施例中，所述电压复制电路包括校准器、寄存器和数/模转换器，所述校准器的第一输入端与所述电源子电路的输出端连接，第二输入端与所述电流镜镜像端子电路的输出端连接，输出端与所述寄存器的输入端连接；所述数/模转换器的输入端与所述寄存器的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。

本发明的有益效果是：本发明中的电流镜像电路包括偏置电路和工作电路，其中偏置电路包括电流源子电路和与电流源端子电路的输出端连接的电流镜源端子电路，工作电路包括电流镜镜像端子电路，电流镜源端子电路的输出端与电流镜镜像端子电路的输入端连接，电流镜像电路还包括电压复制电路和放大电路；电压复制电路用于复制电流镜镜像端子电路的输出端的电压，其输出端与放大电路的第一输入端连接，放大电路的第二输入端连接电源子电路的输出端，放大电路的输出端作为第一输入端的负反馈连接电流镜源端子电路的输出端，即本发明中的电流镜像电路通过电压复制电路和放大电路将电流源子电路输电压(即电流镜源端子电路的漏极电压)与电流镜镜像端子电路的输出电压(即电流镜镜像端子电路的漏极电压)进行放大比较，通过放大电路的负反馈机制保证电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压相等，使得电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源极、栅极、漏极电压相  等，进而使得流过电流镜源端子电路的源漏电流与流过电流镜镜像端子电路源漏电流相同，避免因组成镜像电路的元器件的尺寸的影响导致电流源镜像电路的偏置电流不准的情况发生。

附图说明

图1为本发明一种镜像电流源偏置差分电路结构图；

图2为本发明一种镜像电流源偏置单端电路结构图；

图3为本发明一种电流镜像电路中镜像管的组成结构图；

图4为本发明一种实施例的电流镜像电路结构示意图一；

图5为本发明一种实施例的电流镜像电路结构示意图二；

图6为本发明一种实施例的电流镜像电路结构图；

图7为本发明一种实施例的电压复制电路结构图；

图8为本发明一种实施例的电压复制电路结构示意图一；

图9为本发明一种实施例的电压复制电路结构示意图二；

图10为本发明一种实施例的电压复制电路结构示意图三；

图11本发明一种实施例的线性搜索方法流程图；

图12本发明一种实施例的二分法搜索流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参考图4，本例中的电流镜像电路包括偏置电路和工作电路，偏置电路包括电流源子电路和与电流源端子电路的输出端连接的电流镜源端子电路，工作电路包括电流镜镜像端子电路和与电流镜镜像端子电路的输出端连接的负载子电路，电流镜源端子电路的输出端与电流镜镜像端子电路的输入端连接，形成  电流镜像电路的电流镜像部分。值得注意的是，本例中的电流镜像电路还包括电压复制电路和放大电路；电压复制电路用于复制电流镜镜像端子电路的输出端电压，即生成一个与电流镜镜像端子电路输出电压极性相同，大小相等的电压，电压复制电路的输出端与放大电路的第一输入端连接，放大电路的第二输入端连接电源子电路的输出端，即本例中的放大电路的两个输入端分别为电流镜源端子电路的漏极电压和电流镜镜像端子电路的漏极电压，放大电路的输出端作为第一输入端的负反馈连接电流镜源端子电路的输出端，因此可通过放大电路将电流镜源端子电路的漏极电压与进行放大比较，通过放大电路的负反馈机制保证电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压相等，使得电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源极、栅极、漏极电压相等，具体过程如下：

如果电流镜源端子电路的漏极电压大于电流镜镜像端子电路的漏极电压，根据放大电路的负反馈机制，放大电路的输出电压(即电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的栅极电压)变高，使电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源、漏级电流都增加，但是电流镜源端子电路的漏级连接的是直流电源，而电流镜镜像端子电路的漏级连接的是一个普通的负载电路，所以电流镜源端子电路的负载远远大于电流镜镜像端子电路的负载，因此相对于电流镜镜像端子电路的漏级电压，电流镜源端子电路的漏级电压下降更快，使得电流镜源端子电路的漏极电压趋近于电流镜镜像端子电路的漏极电压，直至两者相等。

如果电流镜源端子电路的漏极电压小于电流镜镜像端子电路的漏极电压，根据放大电路的负反馈机制，放大电路的输出电压(即电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的栅极电压)变低，使电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源、漏级电流都减小，但是电流镜源端子电路的漏级连接的是直流电源，  而电流镜镜像端子电路的漏级连接的是一个普通的负载电路，所以电流镜源端子电路的负载远远大于电流镜镜像端子电路的负载，因此相对于电流镜镜像端子电路的漏级电压，电流镜源端子电路的漏级电压升高更快，使得电流镜源端子电路的漏极电压趋近于电流镜镜像端子电路的漏极电压，直至两者相等。

因此通过本例中的放大电路可保证电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压相等，使得电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源极、栅极、漏极电压相等，进而可使流过电流镜源端子电路的源漏电流与流过电流镜镜像端子电路源漏电流相同，保证电流源镜像电路的偏置电流的准确性。

请参见图5，为了防止电流镜镜像端子电路直接看到电流镜源端子电路的低阻抗，造成输入信号的损失，本例中的电流镜像电路还可包括低通滤波电路，低通滤波电路连接在电流镜源端子电路的输出端和电流镜镜像端子电路的输入端之间，电流镜镜像端子电路的输入信号叠加在低通滤波器电路的输出电压信号上输入电流镜镜像端子电路，避免输入信号损失。

值得注意的是，本例中电流镜源端子电路与电流镜镜像端子电路之间的镜像为n∶m镜像，其中，n为电流镜源端子电路所包括的源端镜像支路的个数，m为电流镜镜像端子电路所包括的镜像端镜像支路的个数。n和m的值可根据具体情况进行选择，例如可都选为1，或n值选为1，m值选为大于1的值，或n和m都选为大于1的值，且n和m的值可以相等，也可以不相等。同时，本例中的电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路可为PMOS管电路，也可为NMOS管电路，下面以NMOS管电路为例，对本发明做进一步的说明，请参见图6：

偏置电路10包括电流源子电路I_ref，电流源子电路的输出端与电流镜源端子电路M₁的漏极连接，同时与运放11(即放大电路)的第二输入端连接，即将  电流镜源端子电路M₁的漏极电压V_D1作为运放11的一个输入；电流镜源端子电路M₁的栅极(即电流镜源端子电路的输出端)通过电阻R₀与工作电路30的电流镜镜像端子电路M₂的栅极的连接，电容C₀与电阻R₀构成低通滤波电路，电流镜镜像端子电路M₂的输入信号V_in叠加在低通滤波器电路的输出电压信号上输入电流镜镜像端子电路M₂，避免输入信号V_in损失。电流镜镜像端子电路M₂的漏极接负载电路R_L。电压复制电路20的输出端与运放11的第一输入端连接，运放11的输出端与电流镜源端子电路M₁的栅极连接，运放11的输出端作为其第一输入端的负反馈，而电压复制电路20为直流电压复制电路，用于复制电流镜镜像端子电路M₂的漏极电压V_D2，即电压复制电路20的输出电压V_DC等于V_D2，通过运放11的负反馈机制，调整V_D1，使V_D1等于V_D2的过程如下：

如果V_D1＞V_DC，根据运放11的负反馈机制，运放11的输出电压V_G1变高，M₁和M₂的漏级电流都增加，由于M₁的漏级连接的是直流电源，而M₂的漏级连接的是一个普通的负载电阻，所以M₁的负载远远大于M₂的负载，因此相对于M₂的漏级电压，M₁的漏级电压下降更快，使得V_D1趋近于V_DC，直至两者相等，而V_DC等于V_D2，因此最终V_D1＝V_D2；

如果V_D1＜V_DC，根据运放11的负反馈机制，运放11的输出电压V_G1变低，M₁和M₂的漏级电流都减小，由于M₁的漏级连接的是直流电源，而M₂的漏级连接的是一个普通的负载电阻，所以M₁的负载远远大于M₂的负载，因此相对于M₂的漏级电压，M₁的漏级电压上升更快，使得V_D1趋近于V_DC，直至两者相等，而V_DC等于V_D2，因此最终V_D1＝V_D2。

因此，通过上述调整，可使电流镜源端子电路M₁、电流镜镜像端子电路M₂的源极、栅极、漏极电压都相等，因此流过电流镜源端子电路M₁的源漏电流与流过电流镜镜像端子电路M₂源漏电流自然相同，保证了电流源镜像电路的偏置  电流的准确性。

本例中的电压复制电路20的实现方式根据实际情况，可有多种实现方式，下面列举以下几种实施方式对本发明做进一步的说明：

实现方式一：本例中的电压复制电路可为电压比例复制电路，请参见图7，图7中的MOS管M_2C和电阻R_LC组成的电路是工作电路30的电压比例复制电路，值得注意的是，工作电路中的M₂和电阻R_L与图7中的M_2C和电阻R_LC必需是成倍数关系，且M_2C的栅极电压也为图6中所示的V_G1，才能保证图7中的V_DC与电流镜镜像端子电路M₂的漏极电压V_D2相等。这种实现方式较适合于工作电路的结构比较简单的电流镜像放大电路中。

实现方式二：本例中的电压复制电路可包括低通滤波器，请参见图8，低通滤波器的输入端与电流镜镜像端子电路M_2C的漏极连接，输出端与放大电路(即运放11)的第一输入端连接，使V_D2经过一个带宽极低的低通滤波器处理得到其直流分量V_DC，这种实现方式较适合于工作电路的工作频率比较高的电流镜像放大电路中。

实现方式三：请参见图9，电压复制电路包括寄存器和数/模转换器(DAC)，数/模转换器的输入端与寄存器的输出端连接，输出端与放大电路(即运放11)的第一输入端连接，在寄存器中存储通过测试选定的一组最优的数据，将存储的数据通过被转化成模拟信号V_DC即可。

实现方式四：在实现方式三的基础上，寄存器中存储的特定的数据不仅可以通过外部写入，还可以通过自动“校准”模块来获得。请参见图10，电压复制电路包括校准器、寄存器和数/模转换器(DAC)，校准器的第一输入端与电源子电路的输出端即电流镜源端子电路M₁的漏极连接，第二输入端与电流镜镜像端子电路M₂的输出端(即漏极)连接，输出端与寄存器的输入端连接；数/模转换器的输入端与寄存器的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。

其中校准器可以使用线性的最小步进来搜索寄存器的最优数据值，如图11所示，其中L和G是两个标识位，标示了V_D1和V_D2的关系，起初将他们设为0，通过改变寄存器的数值，当经历了V_D1＞V_D2和V_D1＜V_D2两种状态时两者才是最接近的，也就是我们要找的最优值。校准器也可以通过二分法来搜索寄存器的最优数据值，如图12所示，其中S代表第S次搜索，根据二分法的原理一个N位的数据搜索N次就可以结束了，搜索效率高。具体可根据实际情况选择最优的搜索方法。

当然，本例中的电压复制电路甚至可还直接为一根导线，将运放11的第一输入端与电流镜镜像端子电路M₂的漏极相连接，使V_D2直接输入运放11。电压复制电路的具体实现可根据实际情况选择最优的实施方式。

综上可知，本发明通过在电流镜像电路中设置电压复制电路和放大电路，通过放大电路的负反馈机制，保证电流镜源端子电路的漏极电压与电流镜镜像端子电路的漏极电压相等，可使电流镜源端子电路和电流镜镜像端子电路的源极、栅极、漏极电压相等，保证流过电流镜源端子电路的源漏电流与流过电流镜镜像端子电路源漏电流相同，避免因组成镜像电路的元器件的尺寸的影响导致电流源镜像电路的偏置电流不准的情况发生。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电流镜像电路,包括偏置电路和工作电路，所述偏置电路包括电流源子电路和与所述电流源子电路的输出端连接的电流镜源端子电路，所述工作电路包括电流镜镜像端子电路，所述电流镜源端子电路的输出端与所述电流镜镜像端子电路的输入端连接，其特征在于，所述电流镜像电路还包括电压复制电路和放大电路；所述电压复制电路用于复制所述电流镜镜像端子电路的输出端电压，所述电压复制电路的输出端与所述放大电路的第一输入端连接；所述放大电路的第二输入端连接所述电流源子电路的输出端，所述放大电路的输出端作为所述第二输入端的负反馈连接所述电流镜源端子电路的输出端；

所述电压复制电路包括寄存器和数/模转换器，所述数/模转换器的输入端与所述寄存器的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。

2.如权利要求1所述的电流镜像电路，其特征在于，所述电流镜像电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路连接在所述电流镜源端子电路的输出端和所述电流镜镜像端子电路的输入端之间。

3.如权利要求2所述的电流镜像电路，其特征在于，所述工作电路还包括负载子电路，所述电流镜镜像端子电路的输出端连接所述负载子电路；所述电流镜镜像端子电路的输入信号叠加在所述低通滤波器电路的输出电压信号上输入所述电流镜镜像端子电路。

4.如权利要求1-3任一项所述的电流镜像电路，其特征在于，所述电流镜源端子电路与所述电流镜镜像端子电路之间的镜像为n:m镜像，所述n为电流镜源端子电路所包括的源端镜像支路的个数，所述m为电流镜镜像端子电路所包括的镜像端镜像支路的个数。

5.如权利要求1-3任一项所述的电流镜像电路，其特征在于，所述电流镜源端子电路和所述电流镜镜像端子电路为PMOS管电路或NMOS管电路。

6.如权利要求1所述的电流镜像电路，其特征在于，所述电压复制电路还包括校准器，所述校准器的第一输入端与所述电流源子电路的输出端连接，第二输入端与所述电流镜镜像端子电路的输出端连接，输出端与所述寄存器的输入端连接；所述数/模转换器的输入端与所述寄存器的输出端连接，输出端与所述放大电路的第一输入端连接。