[发明专利]一种高精度宽电流范围电流镜

说明书

技术领域

本发明涉及电流镜，尤其涉及一种高精度宽电流范围电流镜。

背景技术

在模拟电路中，经常使用电流镜产生电路偏置电流、负载电流和精确的参考电流。如图1所示，所用的电流镜常采用饱和管镜像。工作在饱和区，且只考虑一阶效应的MOS管的源漏电流公式如式(1)所示。相邻的MOS管其μ_n、C_ox和VTH都是相同的，由公式(1)知道，如果VGS相同，则两个MOS管的漏源电流ID只和W/L成比例。如图1所示的电流I1和I2与Iref成比例。

但是MOS管都存在二级效应，沟道长度调制效应。就当栅和漏之间的电压差增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小。也就是说，当工作在饱和区的两个MOS管VGS相同，但是VDS不相同，则实际上两个MOS管的反型沟道长度不相同，源漏电流也不相同，电流镜像就存在偏差。为保证电流镜的镜像精度，需要让工作于饱和区电流镜像的MOS管漏源电压相等。于是为提高电流镜像精度，出现了图2所示的电流镜像电路。

但上述都是工作在饱和区的MOS管进行电流镜像。MOS管工作在饱和区的条件如式(3)所示，为工作于饱和区VGS必需低于VDS+VTH。由式(2)知道镜像输出电流ID越大，所需的W/L也就越大，占用很大版图面积。同时为保证工作于饱和区，VDS电压需要高于VGS-VTH，所以图2所示的电流镜像电路限定了电流镜输出端的漏极最小电压。较大的VDS电压使得工作于饱和区的电流镜具有较大的功耗。如果要降低VDS电压，则要相应地降低VGS电压，而且相同的源漏电流ID下就需要增大W/L。而采用工作于线性区的MOS管电流镜，如式(4)所示，VGS电压大于VDS+VTH，也就是VDS可以很小。所以对输出镜像电流大的电流镜采用工作于线性区的电流镜可以大幅降低输出功耗。同时如式(5)所示，相同的源漏电流ID下，VGS电压增大可以减小W/L值，减小版图面积。但工作于线性区的MOS管电流镜需要使MOS管的VDS电压相同才能保证电流的精确镜像。

MOS管工作在饱和区的条件：

V_GS<V_DS+V_TH(3)

MOS管工作在线性区的条件：

V_GS>V_DS+V_TH(4)

而且由式(2)和式(5)知道，无论工作于饱和区还是线性区的电流镜，只要保证VGS和VDS相同，则电流镜像比和宽长比之比成正比例关系，如果电流镜的输入输出电流相差较大，则宽长比的比例值相差也会较大，尺寸相差较大的MOS使得版图上的匹配变差，从而电流镜像精度变差。

下面分别讨论工作于饱和区和线性区的电流镜其电流镜像精度的影响因子。由式(2)和式(5)知道决定源漏电流ID的因素有μ_n、C_ox、VTH、W/L、VGS、VDS。其中μ_n是载流子迁移率，由工艺决定；C_ox是单位面积的栅氧化层电容，由工艺决定；VTH是MOS管的阈值电压，由工艺决定，随L和衬底电压有细微变化。W/L、VGS、VDS是电路设定值。μ_n和C_ox因素对源漏电流ID的影响程度对于饱和区和线性区的电流镜都是相同的，不受电路设计控制。VTH的影响因素虽然由工艺决定，但对饱和区和线性区的电流镜影响程度不相同。下面分别对VTH、VGS和VDS影响因素进行讨论。

VTH对电流镜像的影响：

工作于饱和区和线性区的MOS管源漏电流ID分别对VTH求导得：

饱和区公式：

线性区公式：

占比：

饱和区：

线性区：

由于饱和区VGS-VTH<VDS，而在线性区VGS-VTH>VDS。因此有：

饱和区：

线性区：

所以，在线性区VTH变化引起源漏电流ID占比变化要小于在饱和区VTH引起电流ID的变化。

虽然同一个芯片的NMOS的VTH偏差较小，但仍然会存在偏差。所以工作在线性区的电流镜可以提高电流精度。特别是对于电流镜像比例值较大的电流镜，工作于线性区的电流镜受工艺的VTH影响更小。

VGS对电流镜像的影响：

式(2)和式(5)分别对VGS求导得：