电流镜在电流模式电路中的应用

1电流镜在电流模式电路中的应用徐文彬20102484在当今信息时代，信息技术己深入到国民经济的各个领域，人们在日常生活中无处不体会到信息技术带来的变化。信息技术的基础是微电子技术，而集成电路是微电子技术的核心，是整个信息产业和信息社会最根本的技术基础。在社会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路芯片的作用也越来越重要，无论移动手持设备还是不断升级的笔记本电脑，集成电路芯片都被广泛应用。集成电路设计和制造水平无疑已成为衡量一个国家技术水平的一个重要标准，同时成为一个国家经济实力和国防实力的一个重要标志。近二十年来，以电流为信号变量的电流模式电路的巨大潜在优势逐渐被各国科学家发现并挖掘出来，促进了模拟集成电路朝低电压、低功耗等方面的发展。而电流传输器是目前电流模式电路中使用最广泛、功能最强的标准模块。1996年，A.Fabre在电流传输器的基础上提出了电流控制电流传输器的基本理论[1]。电流传输器不仅有电压输入端，而且有电流输入端，因此它能实现电压模式电路，也能实现电流模式电路。电流传输器无论在信号大小的情况下，都能比相应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而且电流控制电流传输器还具有电可调特性。CMOS工艺由于具有输入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面积小、抗辐射能力强等特点，正日益成为最广泛应用的集成电路设计工艺。因此，应用CMOS工艺设计电流传输器及电流控制电流传输器引起了越来越多的关注。同时，基于电流传输器的优点和易于和其他电子元件组合构成应用电路的特点，电流传输器被广泛的应用于各种模拟滤波器的设计。电流镜的基本理论电流镜(CurrentMirror)是一种信号处理的标准部件，同运算放大器、电流传输器、电流反馈放大器一样，使用在模拟和数模混合模式VLSI电路中。它能将电路中某一支路的参考电流在其它支路中得以重现或复制[3]。由于其电流复制能力，它常被用来构成模拟集成电路和器件中支流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最为广泛的电路技术之一。2电流镜概述电流镜是模拟集成电路中最基本的单元，利用电流镜可以构成电流模式的基本模块电路，如电流模式传输器、微分器、积分器等，也可以构成电流模式集成电路，如连续时间滤波器、A/D转换器等。一个电流镜至少要有三个端子，如图2-1所示，图(a)是电流镜示意图，图(b)是电流镜的代表符号。图中I0端连接电源或者地，I1为镜源，I2为镜象，输入输出关系为：I2=MI1。其中M为镜象比系数，它与电流镜内部的晶体管参数的沟道尺寸有关。实用电流镜应该具有以下三点基本性能：（1）、输出支路电流I1基本与节点N2的电压V2无关,V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏到几伏的任何电位，即N0节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻(更通用应为交流输出阻抗)应该很高，理想时为无穷大。（2）、输入节点N1的直流电压V1应当很小，通常比公共节点N0相差几百毫伏，而且电压V1基本上与输人电流I1的增量变化无关，即小信号交流输入电阻(更通用为交流输入阻抗)应相当低，理想时为零。（3）、电流传输比M=I2/I1应该尽可能接近于1，而且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的应用中，理想电流镜电流传输比M的幅度和相位应该与信号的频率无关。N1N2N0I0I1I2V1V2(a)示意图I0I1I2(b)代表符号M1M2I2I1inioutVss(c)基本电流镜电路图2-1电流镜基本概念Vdd3CM在电流模式电路中的应用1.电流模式有源器件信号处理的基本要素是有源器件。电流模式有源器件因电流反馈带来的精度、带宽等优良的性能，近年来获得了较大的发展，其中，CM起着核心部件的作用。可以说，没有哪一种电流模式器件不使用CM技术。目前，几种常用电流模式器件包括:电压电流转换器，电流跟随器，电流传送器(CCⅡ)，电流模式跨阻放大器，运算跨导放大器(OTA)，电流模式运算放大器等。利用这些有源积木块可构成各种信号处理电路，特别是CCⅡ和OTA，近几年在连续时间电路技术领域是十分活跃的研究方向。2.电流模式信号处理电路电流模式电路是一种以电流作为信号处理有源参数或变量的电路。新近的研究表明，以电流模式有源器件为基础的电流模式电路在电路性能方面有优于电压模式电路之处。目前使用CM技术的电流模式电路包括:(a)连续时间电流模式电路利用CM的栅极电容和MOS管跨导gm完成滤波器中的阻容时间常数，可直接用CM作为有源积木块，应用于电流模式电路设计。图4-1是由CM构成的连续时间电流差分积分器，分析可得:I0=K(gm3/SC2)(i1-i2)(4-1)可见，它完成了差分输入的积分器功能。利用这种积分器，可模拟LC梯型网络。i011111111KM1M2M3M4M5i1JJJJKJABI2is图4-1连续时间CM积分器4（b）SI滤波器用开关电流镜可构成SI积分器，图4-2是第一代SI通用积分器，其电路方程为：-1-1-1O11223I(Z)=[AZI-AI-A(1-Z)]/(1-BZ)利用该通用积分器，可实现各种形式的SI滤波器。3.电流模式神经网络神经网络是本世纪末发展最为迅速的交叉学科。用电流模式电路技术实现神经网络是近年来引人注目的研究方向。目前，电流模式神经网络技术包括:跨导一电容神经网络；SC与SI神经网络；MOSVLSI技术实现神经网络等。CM除了构成电流模式有源器件应用于神经网络实现之外，它还可直接用作阑值处理单元，用于神经信号处理运算。4.电流模式数据转换信号处理存在两种方式:模拟信号与数字信号。在许多模数混合IC系统中，这两种信号处理系统之间必须配以接口，以完成A/D和D/A功能。目前，采用CM技术的动态电流技术已用来实现A/D和D/A转换电路，几个精确的二分电路在文献中已提到过了。5.CMOSCM在差分运放电路中的应用在测量设备中，常需要高输入电阻的集成运放，其输入电流小到10pA以下，对电流的精确度要求较高，因此多使用电流镜来提供运放的偏置电流和作为差分对管的有源负载。(4-2)A1.1A2.2A3.3BJJJio1:1:B图4-2第一代SI积分器5图4-3所示是一个两级放大电路的原理图，该原理图中的偏置电路和运放电路均含电流镜。图中的管子全部为增强型MOS管。M1、M2和M7管构成比例电流源。外接电阻R和M1管组成该差分运放的偏置电路，用于提供偏置电流Ir。在已知M1管开启电压的前提下，利用外接电阻可以求出基准电流Ir，一般Ir取值范围为20～200μA。根据M1、M2和M7管的结构尺寸，可以得到M2与M7管的漏极电流，它们为放大电路提供静态电流。该电路为两级放大电路。第一级是以P沟道管M3和M4为放大管、以N沟道管M5和M6构成的电流源为有源负载，采用共源形式的双端输入、单端输出差分放大电路。其输入级的有源负载使单端输出电路的动态输出电流近似等于双端输出电路时的输出动态电流。由于第二级电路从M8的栅极输入，其输入电阻非常大，因而带负载能力不高，是为高阻抗负载而设计的，适用于以场效应管为负载的电路。电容C起相位补偿作用。电流源直流电阻很小和交流电阻很大，因此被广泛应用于共射极放大器、共集电极放大器和差动放大器等电路，使得放大器每级的增益相当高，并使其它性能指标得到改善。6.宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路电流源要得到较理想的输出电流，必须有性能优良的偏置电路对它进行偏置。结合共源共栅电流镜结构，设计了一个高输出摆幅、高输出阻抗恒流源偏置电路，如图4-4UiM1M2M7M4M3M5M6C1IrRUoM85VV10VDD图4-3二级差分运放电路6所示。整个电路实际上是一个低压共源共栅电流镜的改进电路。N沟道宽摆幅共源共栅镜像电流源由MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6和二极管相连的偏置MOS管M7组成。M1、M3对的作用类似一个二极管相连的晶体管。共源共栅MOS管M3、M4和M6的栅极电压是从二极管相连的晶体管M7得出的。与此相似，P沟道宽摆幅共源共栅镜像电流源由M10、M11、M14、M15和M18构成。MOS管M14和M15的作用类似一个二极管相连的晶体管。共源共栅晶体管M10和M14的栅极电压来自二极管相连的晶体管M18。M1～M6是该电路的主体电路，M10、M11、M14和M15是有源负载，M7和M18是有源负载的偏置电路，其中M14受M18偏置。输出两个偏置电压Vaa和Vbb，若VDD减小，那么M14的栅极电压就相应减少，(各管子做在同一个硅片上，工艺、温度参数等基本相同)，即:GSthGSMGSMDSGMGSVVVVVMVV14151418各管子均处于饱和状态thGSDSVVV，故：thGSthMGSMVVVVV221818根据饱和区的电流方程:2)(21thGSDVVLWpCoxIM1M3M4M2M9M18M8M6M5M7M11M15M14VbbVaaVDD图4-4恒流源偏置电路(4-3)(4-4)(4-5)7可以得出:141841MLWMLW为了提高整个电流源的匹配性能，所有类似的管子都应该设计成相同的宽长比。M10、M11、M14和M15的宽长比相同，并要大于M18宽长比的4倍。同样的道理，对N沟道共源共栅电流镜来说，M1、M2、M3、M4、M5和M6宽长比相同，并大于M7宽长比的4倍。具体电路中的尺寸应根据仿真再作细微调整，以达到电流源匹配的目的。在偏置电路工作之初，电路可能处于截止区而不是饱和区，这就需要启动电路将偏置电路“激活”。本设计可在M7和M14的栅极分别接入P管和N管作为该电路的启动电路。总结随着新技术的发展，必将出现新的技术，使电流镜技术逐渐走向先进，从而使电流镜的应用更加广泛。随着未来电流镜运用及技术的进一步发展，电流镜在各个领域的也将发挥更大的作用。本论文通过在网上查找资料，与老师、同学的讨论，以及查阅书籍等手段，对电流镜的基本原理、特性做了非常详细的介绍。(4-6)致谢我必须感谢我的指导老师某某老师!本论文从开始课题的选定到最后的完稿得到某某老师的悉心指导和大力帮助。使我不仅在专业知识上受益匪浅，而且在研究方法和解决问题的能力上有了很大的提高。恩师那广博精深的专业知识，严谨求实，敢于探索的治学态度，认真勤奋的工作精神将时刻勉励我、鞭策我，使我终生受益。在论文完成之际，谨在此向恩师表示衷心的感谢和崇高的敬意!我还要感谢论文答辩组的所有老师，你们在百忙之中抽出时间对我的论文答辩进行指导，我在这里表示衷心的感谢。在这大学研究生生活即将结束之际，谨对多年来给予我关心与支持的良师益和亲人们致以最诚挚的谢意!最后，在这大学研究生生活即将结束之际，谨对多年来给予我关心与支持的良师益友和亲人们致以最诚挚的谢意!