（电路设计）电流镜电路（共源共栅电流镜电路）.docx

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1、电流镜电路可以用晶体管和MoSFET来搭建，尽管我们可以用这两个简单 的有源器件或直接使用一个放大器电路，但其输出并不完美，而且有着自身的局 限并依赖于外部因素。所以为了得到稳定的输出，我们必须在电流镜电路上加入 另外的技术。改进基础电流镜电路改进电流镜电路输出的方法有很多种。比如可以在传统的双晶体管设计上再 加入一个或两个晶体管。这些电路使用射极跟随器的配置来解决基极电流失配的 问题，我们可以改变电路的结构来平衡输出阻抗。分析电流镜电路性能一共有三大指标。L首先就是静态误差的数量。这是输入电流和输出电流的差异。要想减小其 差异相当困难，因为差分单端输出转换的差异与差分放大器的增益将决定共模抑

2、 制比和电源。2 .另一大指标就是电流源输出阻抗或者说是输出电导率。这是十分重要的指 标，因为当电流源起到有源负载的作用时，它会影响到增益级。而且在不同情况 下它也会影响到共模增益。3 .为了电流镜电路的稳定运行，最后一大指标就是来自输入与输出间供电线 路的最小电压。为了改善基本电流镜电路的输出，并考虑到以上三大指标，我们这里需要用 到两大电流镜技术一一威尔逊电流镜电路和维德拉电流源电路。威尔逊电流镜电路这个电路的由来源自于George R. Wilson和Barrie Gilbert两位工程师之间的 挑战，他们打算一夜之间想出改进版的电流镜电路，而这场挑战的胜利则落入了 George R.

3、Wilson的手中。该改进版的电流镜电路也由他的名字来命名。威尔逊电流镜电路用到了三个有源器件来接收输入电流，并为输出提供了精 准的镜像电流。SourceI-Qut以上的威尔逊电流镜电路中，三个有源器件都是BJT再加上一个电阻Rl。电路需要两条假设是所有的晶体管都有着相同的电流增益，二是Tl和T2的集极电流相等，因为Tl和T2相匹配且使用的是相同的晶体管。因此 ICI=IC2=1C这也可以适用于基极电流，出1=1B2=IBT3晶体管的基极电流可以由电流增益来计算IB3=lC3(1)而T3的射极电流则为IE3=IC2+IB1+出2(2)如果我们看看上面的原理图，就可以发现T3射极的电流正是T2集

4、极电流 加上TI与T2基极电流的和。因此，1E3=1C2+IB1+1B2该等式可以被进一步简化 为：IE3=IC+21B 因此 IE3= (1+ (2 ) IC带入(2)式可得(+l) B) IC3= (1+ (2 ) IC可以将集极电流简化 为 IC= (l+ ) / (2+ ) 1C3- (3)由原理图可得 IR1=IC1+1B3 而 IC1=IC2=IC 所以 IR1=1C+IB3 由式(3)和(1) 可得 IRl= (l+ ) / (2+ ) IC3+IC3/B 简化为 IRl= (l+ ) / (2+ ) +1/ ) IC3IC3=IR1/ (1+2/ ( ( 8+2)以上关系式解释

5、了第三个晶体管集极电流与输入电阻间的关系。如果2/ ( B (+2)远远小于1的话，那么IC3-IR1。如果晶体管基射级电压小于IV的 话，输出电流则可以轻易算出。IC3IR1= (V1-VBE2-VBE3) Rl所以为了得到合适稳定的输出电流，Rl和Vl必须选取合适的值。要让电 路作为恒流源使用的话，Rl需要替换为恒流源。改良版威尔逊电流镜电路威尔逊电流镜电路可以进一步追求更高进度，我们只需加入另一个晶体管。OurTLSTRlceI-OutII-Re4T3以上电路为改良版的威尔逊电流镜电路。该电路中加入了第四个晶体管T4。 额外的T4平衡了 Tl和T2的集极电压。Tl的集极电压等于VBE4o

6、这也就限制 并稳定了 Tl和T2间的电压差异。威尔逊电流镜的优点和限制与传统电流镜相比威尔逊电流镜电路有几项优势：在传统电流镜电路中，基极电流的失配是个很常见的问题。然而，Wilson 电流电路消除了基极电流平衡的错误。正因如此,输出电流与输入电流近乎一致。 不仅如此，由于T3基极对Tl的负反馈，电路有着非常高的输出阻抗。4个晶体管组成的改良版的威尔逊电流镜电路十分适用于大电流应用。威尔逊电流镜电路在输入上有着非常小的阻抗。电路不需要额外的偏置电压，且所需元件不多。威尔逊电流镜的限制当威尔逊电流镜电路用于高频应用时，负反馈循环会使频率响应不稳定。与两个晶体管组成的传统电流镜电路相比，它有着更高

7、的顺从电压。威尔逊电流镜电路会在输出上产生噪声。这是由于反馈提高了输出阻抗，也 直接影响了集极电流。基极电流的波动导致了输出端的噪声。威尔逊电流镜电路的实例以下是用Proteus仿真的威尔逊电流镜电路。其中选取的BJT皆为相同规格的2N2222o此处的电位计用于改变Q2的集 极电流，从而进一步改变了 Q3的基极电流，至于输出负载，此处选取了 IOQ的 电阻。从仿真结果我们可以看出，输入和输出的电流一致。三种常见共源共栅电流镜电路浅析电流镜是模拟集成电路设计中基本的电路单元之一，在电流拷贝，运放偏置 等电路中极为常见，其决定着电流拷贝的精准性以及运放的增益，匹配等特性。 共源共栅电流镜得益于其优

8、越的输出阻抗，在高精度的模拟电路中被广泛使用。本文简单复习并介绍了三种常见的共源共栅电流镜，结合笔者的设计经验给 出了一些设计考虑，希望可以对读者有所帮助。简单共源共栅电流镜，,oUt=mM()ln,VutlminsVgs+V(jsat2M2(WZL)2M1(WZL)1M4m(WL)2M3lm(WL)1图1简单共源共栅电流镜上图所示为简单的共源共栅电流镜，对该电路而言，只需要保证Ml和M3, M2和M4这两对MOS管成比例的设计，同时输出电压大于Vgsl+Vdsat2的要 求，即可使所有的MoS管都工作在饱和区，以实现精准的电流拷贝和较大的输 出阻抗。在设计时，我们常常将Ml和M3设计得具有较

9、大的沟长L和较大的过驱动 电压，这是因为电流拷贝主要由Ml和M3决定，因此较大的沟长L可以保证 Ml和M3输出阻抗更大，因而更少地受到漏端电压的影响，电流拷贝更为精准。 而较大的过驱动电压可以保证他们受失配的影响更小。而作为减弱输出电压影响 功能的M2和M4,出于面积和输出电压裕度的考虑，要求变得宽松了很多，事 实上M2和M4在设计时甚至可以采用工艺允许的最小沟长。这一点在所有的共 源共栅中都是适用的。该电路的最大缺点即为其“吃掉”了很大的输出电压裕度，相比低压共源共栅 电流镜，它需要的输出电压“高”一个Vth,对于在意输出电压范围的应用，如供电 电压很低，或为作为共源共栅运放的输出级等，该电

10、路显得“浪费”，因此不那么 适用。而对一个不在意输出电压范围的电路，比如芯片中各种电流的简单拷贝， 其电路简单，设计方便，需要考虑的因素没有低压共源共栅电流镜多，因此更为 适用。低压共源共栅电流镜图2低压共源共栅电流镜1图3低压共源共栅电流镜2为了解决简单共源共栅电流镜输出电压范围大的问题，低压共源共栅电流镜 应运而生。图2和图3给出了日常设计中两种常用的低压共源共栅电流镜电路， 两者区别为产生M2(M4)的栅极偏置电压电路的不同。相同的是，为了使所有晶 体管工作在饱和区，电路需要满足式(1)：在图2中，Vg2即为M5的栅源电压Vgs5,通过另外一路电流加上合理选 择M5的尺寸，以使得Vg2满

11、足上式的要求。而在图3中，Vg2为Vgsl+IinR, 通过选择R的值即可确定Vg2o根据式(1)可知，Vg2被限定在一个范围内，因此相比简单的共源共栅电流 镜，低压共源共栅电流镜受到了额外的约束，在这种约束下，会出现下面两种情 况：情况1： Vg2如果设置过低，则容易使得Ml进入线性区，因为在电流镜中， Ml和M3决定电流拷贝，因此工作在线性区会使得该电流镜直接不正常工作；情况2：如果Vg2设置过高，则M2进入线性区，此时M4是否进入线性区 取决于M4的漏端电压。但此时，Ml和M3仍然工作在饱和区，电流拷贝仍然正常。如果M4的漏 端电压足够到M4工作在饱和区，那么M4仍然可以起到减弱输出电压

12、对M3漏 端电压影响的作用，但是因为M1+M2与M3+M4不是完全镜像，因此电流拷贝 的精准性不如完全正常工作的电流镜。这种情况，如果不要求电流拷贝准确，只单纯想要高输出阻抗，比如作为运 放输出级，那么该目标仍然可以实现。因此，如果在设计运放偏置时，由于电路的限制，必须选择Vg2在整个温 度，工艺角范围内高一些或是低一些，高一些这个选择可能影响会更小。这也是 笔者在电路设计时常常遇到的问题，该问题尤其在VgSI较低时更容易出现，因 为该情况会使得留给Vg2的可选范围很小，尤其加上温度和工艺角的考虑。图2和图3相比，图2电流需要多一路电流进行偏置，而图3电路需要多使 用一个电阻，前者带来额外的功耗和电路复杂度，后者带来更大的面积（尤其在 低功耗电路中），设计时可以根据需求进行选择。相比简单共源共栅电流镜，低压共源共栅电流镜多了一个阈值电压的输出电 压裕度，因此更适用于低供电电压，运放输出级等场景。总结余文简单介绍了三种常见的共源共栅电流镜电路，结合笔者的设计经验提出 了一些个人设计见解，希望读者多多指正。