1628407007-张谦-镜像电流源

电流镜课程研究报告
姓名：张谦班级：集成电路设计与集成系统学号：1628407007
一、研究背景
模拟集成电路是军、民用信息化系统的关键技术之一。

常见的模拟集成电路通常有如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电流源管理芯片等。

模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。

模拟集成电路的基本电路包括电流源、单级放大器、滤波器、反馈电路、电流镜电路等，由它们组成的高一层次的基本电路为运算放大器、比较器，更高一层的电路有开关电容电路、锁相环、ADC/DAC等。

[11]电流镜在模拟集成电路中是核心模块之一，目前，在差分运放电路及各种数据转换和信号处理电路中都广泛地应用到了电流镜技术[1]。

在模拟集成电路要求较高的场合，精度是决定电流镜性能的重要参数之一；但随着工艺尺寸的减小，由于沟道长度调制效应，电流镜电流匹配精度变低；根据采用的集成工艺，电流镜可分为双极型和MOS电流镜。

由于MOS 工艺具有比双极型工艺更高的集成度，因此COMS电流镜一直占主导地位。

本文将在介绍传统电路的基础上，提出较高精度的电流镜电路架构，使得随着工艺尺寸的减小所带来的偏差能够很大程度减小，满足电路对高精度的要求。

二、基本镜像电流源原理
基本镜像电流源电路如图1所示。

晶体管T1、T2参数完全相同，β1=β2，I CEO1=I CEO2，由于两管具有相同的基—射极间电压，（V BE1=V BE2），故I E1=I E2，I C1=I C2。

当β较大时，基极电流I B可以忽略，所以T2的集电极电流I C2近似等于基准电流I REF，即
I C2≈I REF=(V CC-V BE)/R≈V CC/R[10]
由上式可以看出，当R确定后，I REF就确定了，I C2也随I REF而定。

我们可以把I C2看作是I REF的镜像，所以称为镜像电流源。

三、MOS电流镜
VCC
2I B
I C2
I REF
I C1
图1
模拟集成电路中的基本偏置包括电流偏置和电压偏置。

偏置的作用是使MOS管及其电路处于正常的工作状态。

电流偏置提供了电路中相关支路的静态工作电流。

在通常情况下，大部分模拟集成电路中的MOS晶体管，不论是工作管还是负载管都工作在饱和区。

[2] MOS管基本电流源电路由两个MOS对管组成。

由增强型N沟道MOS管构成的基本电流源电路如图2所示（由M r和M1组成）。

其基本工作原理是：当Mr 所对应的参考支路中的电流I r 一定时，M1的栅源电压V GS1就是一个确定值，这个值的大小完全由M1 的器件参数决定。

因为NMOS 晶体管的栅极连接在一起，同时源极也相连，所以，M1和M2的V GS具有相同的值，也就是说，由Ir和M 1 参数确定的V GS1为M2提供了直流偏置V GS2。

由于V DS1 =V GS1，M1饱和。

假设V DS2≥V GS-V TN2，且V DS2大于V TN 2，则M2 也工作在饱和区。

所以，依据饱和区的萨氏方程，参考支路的电流Ir 和输出支路的电流I o 关系见下式：
Io Ir =K
′
N∗(
W
L
)2∗(V GS2−V TN)2
K′N∗(W)2∗(V GS1−V TN)2
=
(W L)
⁄
2
(W L⁄)1
考虑到各器件是在同一工艺条件下制作的, 其本征导电因子K N'相同，阈值电压V TN也相同如果M1、M2设计得相匹配，M1、M2 的平面尺寸相同,即(W/L)2 =(W/L)1，则参考支路的电流Ir和输出支路的电流Io相等，为对称的镜像电流。

如果M1和M2的尺寸设计得不相同，由萨氏方程可得,参考支路的电流Ir和输出支路的电流Io的关系是Io/Ir=(W/ L)2/(W/L)1，即电流比等于M1、M2两晶体管的宽长比之比。

如果有多个输出支路，则各支路的电流的比值就等于各NM OS 晶体管的宽长比之比，称这种基本电流镜为几何比例电流镜。

I r：I O1：I O2：I O3：…：Ion = (W/L)r：(W /L)1：(W/L)2：(W/L)3：…：(W/L)n
由上式可见,通过对M OS 管结构宽长比的设计，可以得到与参考基准电流成任何比例关系的电流源，以满足模拟集成电路中各级放大电路不同的偏置需要。

I r/ Io 是尺寸比例的函数，这个尺寸的比例是设计师可以控制的。

这种简单形式的电流镜中的参考支路NM OS 管和输出支路的NMOS 管所表现的是两个不同的I/V 关系，如图2 ：
对参考支路的NMOS 管M r 来说，V DS =V GS。

它遵循的是平方律的转移曲线，如图3(a)所示。

而输出支路的NMOS 管遵循的却是图3(b)所示的I-V 关系，是NMOS 晶体管的输出特性曲线簇中V GS=V′的那一根。

在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的复制，其前提是已经存在一个精确的电流源可供利用，它不会因为输出节点的电位变化而使输出电流值发生变化。

假设这个电流源已经存在，那么如果不考虑沟道长度调制效应的作用，则工作在饱和区的器件的输出电流与V DS无关，也就不会因V DS 的不同而产生电流
图3 工作曲线
比的误差。

Io 和I r 的比值由器件尺寸的比率决定，该值可以控制在合理的精度范围内，电流镜电路的关键特性就是，它可以精确地复制电流而不易受工艺和温度的影响，因此被广泛地用作恒流源和多输出复制电路等多种模拟电路中。

[3]
四、应用电路
电压互感器输入V-1 变换电路
如图 4 所示，ui 为输入电压，η 为电压互感器变比。

由上述原理可知：互感器二次侧电压Ujη 与镜像电压u... 相等，Um=Ui*η 。

输出电流I0=Ui*R0=U i/η*Ro使用时应注意电压互感器原、副边同名端的方向性（图中*代表互感器的同名端），以确保正确的输出电流方向。

电流互感器输入I-I 变换电路
如图 5 所示,I i为输入电流，η 为电流互感器变比。

同理可知：互感器二次侧取样电阻Ri 上的电压Ii·Rj/η 与镜像电压Um相等，Um=I i R i/η 。

可得输出电流I0＝Um/R0=Ii* Ri/η*Ro。

使用时应注意电流互感器原、副边同名端的方向，以确保正确的输出电流方向。

图5 电流互感器输入I-I变换电路
双电源供电电流源
当电流源负载阻抗较大，或输出电流超出运算放大器带负载能力时，电流源需提高供电电压或增加功率输出级。

这时采用双电源供电可以很方便地构成各种应用电路，电路如图6、图7 所示。

在图 6 电路中，根据上述放大器构成的镜像电流源原理，把功率管T 的发射极接在放大器A 的电源地上，也就是与输入电压信号共地。

这样加在电阻R0两端的镜像电压Um 与输入电压Ui相等，电阻R0上的电流即是输出电流I0=U m/R0=Ui/R0，此电流源的输出动态范围由功率管的供电电源大小及其最大电流输出能力决定。

电路中仅增加了一个功率管，因此只能输出直流电流。

图 6 中P1为运放电源±E c1的地，民为功率管电源Eα 的地。

P2为功率管电源E C2的地。

图6 双电源供电直流电流源电路
在图7 所示电路中，运算放大器后级增加一个甲类互补对称电路，可以提高电路的输出能力。

取样电阻Ro 的两端分别接到放大器的电源地P1与放大器相端。

根据上述原理我们易得到：取样电阻Ro 两端镜像电压Um，与输入电压Ui相等，即Um=Ui，电阻Ro上的电流也就是输出电流I0=-Ui/R0。

这时输出功率不受放大器输出能力的限制，主要由电源±Ec2 动态范围的大小和功率管的电流输出能力决定。

图7 中P1 为电源±Ec1的地，P2 为电源±E C2的地。

[4]
五、新近发展中的CM技术
电流复制单元（CCC）
传统的CM 要求MOS 管精确匹配，因而将产生失配误差。

Daubert等人提出来用单个晶体管的电流复制单元的新概念，克服了上述不足。

[6]
动态CM技术
电流复制单元获得间断的复制输出电流，并可应用于A /D 和D/A 转换然而实用动态电流镜要求连续输出电流。

因而至少需要两个电流源，这可用图9 所示的动态CM 技术来完成该电路工作原理类似于CCC的电路图，但它在两时钟相期间均复制输入电流。

动态CM 已被应用于A/D 和D/A以及神经网络中。

开关电流镜
在传统的CMOS CM 晶体管间加MOS 时钟开关隔离，就构成了开关电流（SI) CM，其工作原理与电流复制单元和动态CM相似，所不同的是（SI）CM 可实现比例增益镜。

它与连续时间CM 不同。

SI CM 及动态CM 具有记忆电流的功能，可完成信号的延时运算，SI 技术是近几年出现的一种新的模拟采样数据信号处理技术。

该技术采用了数字CMOS工艺。

适合于混合模数系统，其基本单元电路便是SI CM。

六、结论
CM 由于其强持的电流复制功能得到广泛的应用。

目前的研究表明：CM 已成功地应用于电流和电压放大器，V-1 和1-V 变换器，滤波器，振荡器，A/D 和D/A 转换器，自校正系统、神经网络以及非线性电路等多个研究领域。

我们相信，CM 在未来的信号处理领域必将起更大的作用。

[8]
图8 双电源供电大动态范围大功率交流电流源电路
参考文献：
[1] Wooldbrige M.Agent-Based Software Engineering[J].IEEE Trans on Software Engineering，1997，144(1):26~27
[2] 史铁林，王雪，何涛等.层次分类诊断模型[J].华中理工大学学报，1993,21（1）：6~12
[3] Fin in T , Labrou Y .KQML as an agent communication language [M] . Bradshaw JM editor . Software Agents , MIT Press , 1997:291~316
[4] 吴杰，邱关源.CMOS电流镜及应用[J].湖南大学学报，1996,23（1）
[5] 黄建华、姜卫等.CMOS电流镜原理及其应用分析，舰船电子工程，2009,6
[6] 电子技术基础模拟部分高等教育出版社_康光华（主编）
[7]一种低压CMOS衬底驱动共源共栅电流镜_朱樟明
[8]一种高精度电流镜电路架构的设计_李艳、叶兵、张亚男
[9]A Statistical Method for Characterizing CMOS Process Fluctuations in Subhreshold Current Mirror_Z h a n g L e i ，Yu Z h i p i n g ，a n d He X i a n g q i n g
[10]镜像电流源原理及其应用电路_任美辉，赵玉梅，梁原华
[11] 百度百科。