CN107632660B - 兼顾精度和面积的12位电流镜电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路，包括：高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组、输入电流偏置电路；所述电流镜偏置电路分别连接高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组，所述高四位电流镜电路组与中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组并联，且所述低四位电流镜电路组连接尾电流源，所述输入电流偏置电路连接头电流源。本发明凭借对12bit电流镜进行分段设计，并在中间四位采用了先等分后开关选通的方法，保证了高八位编码下输出电流的严格单调，并且在确保精度的情况下，减小了双极型晶体管的数量，极大的节省了芯片面积。

Description

兼顾精度和面积的12位电流镜电路

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路。

背景技术

在现代通信系统中，光纤通信因其信息容量大，中继距离长，传输速度快等优点被广泛的应用于高速率传输系统中。其中最重要的两个器件是发光二极管和光电二极管，前者作为光纤通信系统中的发射部分，将电流转化为光功率输出，发光二极管要正常工作其本身也需要一个固定的偏置电流，为保持光功率恒定，这个偏置电流需要能够动态调节，则其调节的精度和单调性就显得尤为重要，不能出现调节过程中出现抖动的情况，并且由于芯片设计时的面积约束，在保证精度的前提下也需要优化电路的面积。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路，极大的优化电流镜电路的精度和版图面积。

为了实现上述目的，本发明提供一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路，包括高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组、输入电流偏置电路；所述电流镜偏置电路分别连接高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组，所述高四位电流镜电路组与中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组并联，且所述低四位电流镜电路组连接尾电流源，所述输入电流偏置电路连接头电流源；

所述高四位电流镜电路组包括多个并联的高四位电流镜电路，且每个高四位电流镜电路都包括高四位开关电路、高四位电流镜偏置电路、高四位电流镜，所述高四位开关电路的输入端连接所述的输入电流偏置电路，其输出端连接所述高四位电流镜偏置电路，所述高四位电流镜偏置电路的输出端连接高四位电流镜，所述高四位电流镜的输出端连接电流输出端；

所述中四位电流镜电路组包括中四位开关电路、中四位电流镜偏置电路、多个并联的中四位电流镜、多个与中四位电流镜连接的多位开关电路，所述中四位开关电路的输入端连接所述的输入电流偏置电路，其输出端连接所述中四位电流镜偏置电路，所述中四位电流镜偏置电路的输出端连接多个并联的中四位电流镜，所述中四位电流镜通过多位开关电路连接电流输出端；

所述低四位电流镜电路组包括低四位电流镜偏置电路、多个并联的低四位电流镜，所述低四位电流镜偏置电路的输入端接尾电流源，其输出端接多个并联的低四位电流镜，每个低四位电流镜都连接电流输出端。

进一步的，所述高四位开关电路和所述中四位开关电路都由开关场效应管构成。

进一步的，所述高四位电流镜偏置电路和所述中四位电流镜偏置电路都由双极型晶体管和与双极型晶体管的发射极连接的射极电阻组成，所述中四位电流镜偏置电路中的射极电阻与所述高四位电流镜偏置电路中的射极电阻一致且参数也保持一致。

进一步的，所述输入电流偏置电路包括第一场效应管、第二场效应管、第一双极型晶体管、第一射极电阻、第一反馈电阻，所述第一场效应管的源极接第一双极型晶体管的集电极，其漏极接头电流源和第二场效应管的栅极且反馈接所述第一场效应管的栅极，所述第一双极型晶体管的发射极接第一射极电阻，其基极接第一反馈电阻和第二场效应管的源极，所述第二场效应管的漏极接头电流源的输入端且都接电源电压，第一双极型晶体管与高四位开关电路和中四位开关电路连接。

进一步的，所述多位开关电路包括第一开关场效应管、第二开关场效应管，所述第一开关场效应管的源极与第二开关场效应管的源极连接且都与中四位电流镜连接，所述第一开关场效应管的漏极接电流输出端，所述第二开关场效应管的漏极接一电阻，所述第一开关场效应管的栅极与第二开关场效应管的栅极接相反的电平。

进一步的，所述中四位电流镜偏置电路的输出端还接第三场效应管的源极，所述第三场效应管的漏极接一电阻。

进一步的，所述低四位电流镜偏置电路包括第四场效应管、第五场效应管、第二电阻，所述第四场效应管的源极接地，其漏极接第五场效应管的源极，其栅极接第五场效应管的漏极，所述第五场效应管的漏极还接第二电阻的一端，其栅极接第二电阻的另一端，所述第二电阻的另一端还与尾电流源的输出端连接。

进一步的，所述低四位电流镜包括第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管，所述第七场效应管的漏极接第九场效应管的源极，其源极接地，所述第八场效应管的源极接地，其漏极接第十场效应管的源极，所述第七场效应管的栅极和第八场效应管的栅极都接第四场效应管的栅极，所述第九场效应管的栅极与第十场效应管的栅极都接第五场效应管的栅极，所述第九场效应管的漏极与第十场效应管的漏极都接电流输出端。

进一步的，所述高四位电流镜电路的数量为0-15个，所述中四位电流镜的数量为0-15个，所述低四位电流镜的数量为0-4个，所述中四位电流镜电路组中有1个中四位开关电路、1个中四位电流镜偏置电路、0-15个并联的中四位电流镜、0-15个多位开关电路。

进一步的，所述高四位电流镜电路组的高四位开关电路和中四位电流镜电路组的低四位开关电路都采用温度计编码方式。

本发明的兼顾精度和面积的12位电流镜电路具有以下有益效果：

1、本发明凭借对12bit电流镜进行分段设计，并在中间四位采用了先等分后开关选通的方法，保证了高八位编码下输出电流的严格单调，并且在确保精度的情况下，减小了双极型晶体管的数量，极大的节省了芯片面积。

2、本发明将高四位电流镜电路组与中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组并联，使高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组分别独立工作，使得每一位都相对独立，避免这三者之间相互影响，确保了每位的电流镜在数模转换过程中的精度和单调性。

3、本发明在高四位的开关利用温度计码进行编码的方式，避免了采用二进制编码时由于时序延迟导致的glitch(误码)以及失调导致的非线性，确保了高四位电流镜在数模转换过程中的精度和单调性。

4、本发明中四位的开关编码也采用了与高四位一致的温度计码形式，实现分段设计的方法，避免时序延迟引起的误码，实现对非单调性的优化，确保了中四位电流镜在数模转换过程中的精度和单调性。

5、本发明的电路结构以及控制原理简单，可以大范围推广使用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的电路结构图；

图2为本发明采用的温度计码编译表；

图3为本发明对12bit电流镜的优化示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路，参考附图1-3所示，包括高四位电流镜电路组2、中四位电流镜电路组3、低四位电流镜电路组4、输入电流偏置电路1；电流镜偏置电路1分别连接高四位电流镜电路组2、中四位电流镜电路组3，高四位电流镜电路组2与中四位电流镜电路组3、低四位电流镜电路组4并联，且低四位电流镜电路组4连接尾电流源I2，输入电流偏置电路1连接头电流源I1。

输入电流偏置电路1包括第一场效应管Mc、第二场效应管Ma、第一双极型晶体管Qbias、第一射极电阻Ra、第一反馈电阻Rb，第一场效应管Mc的源极接第一双极型晶体管Qbias的集电极，其漏极接头电流源I1和第二场效应管Ma的栅极且反馈接第一场效应管Mc的栅极，第一双极型晶体管Qbias的发射极接第一射极电阻Ra，其基极接第一反馈电阻Rb和第二场效应管Ma的源极，第二场效应管Ma的漏极接头电流源I1的输入端且都接电源电压VDD，第一双极型晶体管Qbias与高四位开关电路和中四位开关电路连接。

工作时，电流源I1通过第一双极型晶体管Qbias和第一射极电阻Ra进行镜像复制，第一双极型晶体管Qbias相比场效应管精度更高失调更小，并且通过第一射极电阻Ra的负反馈效应，进一步的能提高电流复制精度，第一场效应管Mc是一个匹配管，作用为抑制镜像过程中第一双极型晶体管Qbias的集电极电压偏差，第二场效应管Ma和第一反馈电阻Rb作用是为第一双极型晶体管Qbias提供直流工作点。

高四位电流镜电路组2包括多个并联的高四位电流镜电路，且每个高四位电流镜电路都包括高四位开关电路22、高四位电流镜偏置电路21、高四位电流镜23，高四位开关电路22的输入端连接的输入电流偏置电路1，其输出端连接高四位电流镜偏置电路21，高四位电流镜偏置电路21的输出端连接高四位电流镜23，高四位电流镜23的输出端连接电流输出端Iout。其中，高四位开关电路22和中四位开关电路32都由开关场效应管构成。

高四位电流镜电路组2先构成一个偏置位然后再进行并联，高四位开关电路22中的开关场效应管THN[14：0]作为开关控制电流偏置开启的个数，高四位的开关利用温度计码进行编码，这种编码方式如图2所示，它将4位的二进制码编译成15位温度计码(Y0-Y14)，从0000到1111每位都是在前面的基础上多增加一位，体现到电路上相邻两位之间仅相差一个同样尺寸的电流镜偏置，使得高四位电流镜受失调失配影响最小，避免了采用二进制编码时由于时序延迟导致的glitch(误码)以及失调导致的非线性，确保了高四位电流镜在数模转换过程中的精度和单调性。

此外，高四位电流镜偏置电路21和中四位电流镜偏置电路31都由双极型晶体管和与双极型晶体管的发射极连接的射极电阻组成，中四位电流镜偏置电路中的射极电阻与高四位电流镜偏置电路中的射极电阻一致且参数也保持一致，该电路结构其相比场效应管构成的电流镜具有更高的精度。

而对中四位电流镜电路组来讲，如果与高四位合并进行温度计码编译，则需要28-1共计255个双极型晶体管，这将占据模拟电路相当大的版图面积；而如果采用二进制码编译，由于每一位都相对独立，受到器件失调和时序延迟的影响将会非常大，电流容易出现非单调情况，因此本发明重点改进的就是中间位的偏置电路，令其在保证单调性的基础上节省版图面积。本发明的中间四位，中四位电流镜偏置电路只需要一个，由双极型晶体管Q16和电阻R16构成，中四位电流镜部分采用与高四位一致的发射级电阻负反馈结构且参数保持一致，通过在电流镜与电流输出端Iout之间插入多位开关电路来实现对输出电流的控制，场效应管M16[14：0]和M31共计16个场效应管被设置成栅源电压VGS相等，漏源电压VDS也几乎一致，实现了尾电流源I2的电流十六等分，开关场效应管TMP[14:0]和TMN[14:0]栅端输入相反的电平，控制被等分后的电流是通往电流输出端Iout还是电源端VDD，同样的为避免时序延迟引起的误码，场效应管M16[14：0]的开关编码采用了与高四位一致的温度计码形式。

因此，中四位电流镜电路组3的结构设计如下：

中四位电流镜电路组3包括中四位开关电路32、中四位电流镜偏置电路31、多个并联的中四位电流镜33、多个与中四位电流镜33连接的多位开关电路34，中四位开关电路32的输入端连接的输入电流偏置电路1，其输出端连接中四位电流镜偏置电路31，中四位电流镜偏置电路31的输出端连接多个并联的中四位电流镜33，中四位电流镜33通过多位开关电路34连接电流输出端Iout。

多位开关电路34包括第一开关场效应管TMP、第二开关场效应管TMN，第一开关场效应管TMP的源极与第二开关场效应管TMN的源极连接且都与中四位电流镜M16连接，第一开关场效应管TMP的漏极接电流输出端Iout，第二开关场效应管TMN的漏极接一电阻，第一开关场效应管TMP的栅极与第二开关场效应管TMN的栅极接相反的电平。

中四位电流镜偏置电路31的输出端还接第三场效应管M31的源极，第三场效应管M31的漏极接一电阻。

低四位电流镜电路组4包括低四位电流镜偏置电路41、多个并联的低四位电流镜42，低四位电流镜偏置电路41的输入端接尾电流源I2，其输出端接多个并联的低四位电流镜42，每个低四位电流镜42都连接电流输出端Iout。

低四位电流镜偏置电路41包括第四场效应管Mbias、第五场效应管Mc1、第二电阻Rc，第四场效应管Mbias的源极接地，其漏极接第五场效应管Mc1的源极，其栅极接第五场效应管Mc1的漏极，第五场效应管Mc1的漏极还接第二电阻Rc的一端，其栅极接第二电阻Rc的另一端，第二电阻Rc的另一端还与尾电流源I2的输出端连接。该尾电流源I2采用与高四位电流镜偏置电路一致的发射级电阻负反馈结构，通过在尾电流源与输出端之间插入开关来实现对输出电流的控制，

低四位电流镜4包括第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管，第七场效应管的漏极接第九场效应管的源极，其源极接地，第八场效应管的源极接地，其漏极接第十场效应管的源极，第七场效应管的栅极和第八场效应管的栅极都接第四场效应管的栅极，第九场效应管的栅极与第十场效应管的栅极都接第五场效应管的栅极，第九场效应管的漏极与第十场效应管的漏极都接电流输出端。

低四位电流镜电路组由于在整个12bit电流镜中所占权重较小，精度要求相对不高，可采用全MOS管结构以节约芯片面积，其中尾电流源I2和头电流源I1性能一致但电流值为后者的1/256，第二电阻Rc和第五场效应管Mc1、第四场效应Mbias构成自偏置共源共栅电流镜，场效应管Mb<3:0>作为四个镜像管将尾电流源I2的电流进行1:1复制，并且通过二进制的方式编码，电流输出至电流输出端Iout。

本发明的另一个实施例为高四位电流镜电路的数量为0-15个，中四位电流镜的数量为0-15个，低四位电流镜的数量为0-4个。

本发明的另一个实施例为中四位电流镜电路组中有1个中四位开关电路、1个中四位电流镜偏置电路、0-15个并联的中四位电流镜、0-15个多位开关电路。

本发明的兼顾精度和面积的12位电流镜电路采用这样的分段设计方法，可以使得高八位电流镜严格单调且只需要17个双极型晶体管，这在精度和版图面积上都是极大的优化。

采用本发明的改进结构可以实现对非单调性的优化，对12bit电流镜优化的示意如图3所示，在原先的电流镜设计时，当D<11：0>从后八位全1继续往上进位时，由于匹配和失调的影响，会出现输出电流反而减小的非单调情况，这样的电流在数据传输时就会产生抖动。而中间四位电路结构用本发明的改进结构可以实现对非单调性的优化，克服失调对12bit电流镜的不利影响。

本发明兼顾精度和面积的12位电流镜电路优化了常规电流镜的非单调问题，其中对高中低4位分别设计并在中间四位采取先等分后开关选通的方法，使得精度和版图面积上都取得极大的优化。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (10)

1.一种兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于，包括高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组、输入电流偏置电路；所述输入电流偏置电路分别连接高四位电流镜电路组、中四位电流镜电路组，所述高四位电流镜电路组与中四位电流镜电路组、低四位电流镜电路组并联，且所述低四位电流镜电路组连接尾电流源，所述输入电流偏置电路连接头电流源；

所述高四位电流镜电路组包括多个并联的高四位电流镜电路，且每个高四位电流镜电路都包括高四位开关电路、高四位电流镜偏置电路、高四位电流镜，所述高四位开关电路的输入端连接所述的输入电流偏置电路，其输出端连接所述高四位电流镜偏置电路，所述高四位电流镜偏置电路的输出端连接高四位电流镜，所述高四位电流镜的输出端连接电流输出端；

所述中四位电流镜电路组包括中四位开关电路、中四位电流镜偏置电路、多个并联的中四位电流镜、多个与中四位电流镜连接的多位开关电路，所述中四位开关电路的输入端连接所述的输入电流偏置电路，其输出端连接所述中四位电流镜偏置电路，所述中四位电流镜偏置电路的输出端连接多个并联的中四位电流镜，所述中四位电流镜通过多位开关电路连接电流输出端；

所述低四位电流镜电路组包括低四位电流镜偏置电路、多个并联的低四位电流镜，所述低四位电流镜偏置电路的输入端接尾电流源，其输出端接多个并联的低四位电流镜，每个低四位电流镜都连接电流输出端。

2.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述高四位开关电路和所述中四位开关电路都由开关场效应管构成。

3.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述高四位电流镜偏置电路和所述中四位电流镜偏置电路都由双极型晶体管和与双极型晶体管的发射极连接的射极电阻组成，所述中四位电流镜偏置电路中的射极电阻与所述高四位电流镜偏置电路中的射极电阻一致且参数也保持一致。

4.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述输入电流偏置电路包括第一场效应管、第二场效应管、第一双极型晶体管、第一射极电阻、第一反馈电阻，所述第一场效应管的源极接第一双极型晶体管的集电极，其漏极接头电流源和第二场效应管的栅极且反馈接所述第一场效应管的栅极，所述第一双极型晶体管的发射极接第一射极电阻，其基极接第一反馈电阻和第二场效应管的源极，所述第二场效应管的漏极接头电流源的输入端且都接电源电压，第一双极型晶体管与高四位开关电路和中四位开关电路连接。

5.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述多位开关电路包括第一开关场效应管、第二开关场效应管，所述第一开关场效应管的源极与第二开关场效应管的源极连接且都与中四位电流镜连接，所述第一开关场效应管的漏极接电流输出端，所述第二开关场效应管的漏极接一电阻，所述第一开关场效应管的栅极与第二开关场效应管的栅极接相反的电平。

6.如权利要求1或5所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述中四位电流镜偏置电路的输出端还接第三场效应管的源极，所述第三场效应管的漏极接一电阻。

7.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述低四位电流镜偏置电路包括第四场效应管、第五场效应管、第二电阻，所述第四场效应管的源极接地，其漏极接第五场效应管的源极，其栅极接第五场效应管的漏极，所述第五场效应管的漏极还接第二电阻的一端，其栅极接第二电阻的另一端，所述第二电阻的另一端还与尾电流源的输出端连接。

8.如权利要求7所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述低四位电流镜包括第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管，所述第七场效应管的漏极接第九场效应管的源极，其源极接地，所述第八场效应管的源极接地，其漏极接第十场效应管的源极，所述第七场效应管的栅极和第八场效应管的栅极都接第四场效应管的栅极，所述第九场效应管的栅极与第十场效应管的栅极都接第五场效应管的栅极，所述第九场效应管的漏极与第十场效应管的漏极都接电流输出端。

9.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述高四位电流镜电路的数量为0-15个，所述中四位电流镜的数量为0-15个，所述低四位电流镜的数量为0-4个，所述中四位电流镜电路组中有1个中四位开关电路、1个中四位电流镜偏置电路、0-15个并联的中四位电流镜、0-15个多位开关电路。

10.如权利要求1所述的兼顾精度和面积的12位电流镜电路，其特征在于：所述高四位电流镜电路组的高四位开关电路和中四位电流镜电路组的低四位开关电路都采用温度计编码方式。