本实用新型专利技术提供了一种高精度宽电流范围电流镜，包括参考电流输入部分、电流档位判断与控制逻辑、镜像电流输出部分；所述参考电流输入部分、镜像电流输出部分分别与所述电流档位判断与控制逻辑连接。本实用新型专利技术的有益效果是: 采用可以电流档位切换的工作于线性区的电流镜，通过改进电流镜电路，提高VDS电压精度，从而提高电流镜像精度，拓宽电流镜像范围。
【技术实现步骤摘要】
本技术设及电流镜，尤其设及一种高精度宽电流范围电流镜。
技术介绍
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Il和 12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。由式似知道镜像输出电流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W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W很小。所W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W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W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。阳0化] U ) W06] (2) MOS管工作在饱和区的条件： MOS管工作在线性区的条件： Vgs〉Vds+Vth (4) C5) 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 似和式妨知道决定源漏电流ID的因素有ii"、(；x、VTH、W/L、VGS、VDS。其中y。是载流 子迁移率，由工艺决定；Cm是单位面积的栅氧化层电容，由工艺决定；VTH是MOS管的阔值 电压，由工艺决定，随L和衬底电压有细微变化。W/LVGS、VDS是电路设定值。y。和CM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 审IJ。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： （技） 线性区公式： 巧) 占比： (8) 饱和区： (9) 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： （.10) 阳02引线性区： （11) 所W，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。 虽然同一个忍片的NMOS的VTH偏差较小，但仍然会存在偏差。所W工作在线性区 的电流镜可W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： 式似和式妨分别对VGS求导得： 阳02引饱和区公式：（巧） 占比： 线性区公式：（13;(14) 饱和区： 饱和区 （16) (In) 线性区 同样由饱和区VGS-VTH<VDS，线性区VGS-VTH〉VDS式子得到：阳03引线性区 （17) 所W在线性区VGS电压变化所引起的电流变化量小于工作于饱和区。而且VGS 电压越高，由VGS偏差引起的电流偏差就越小。提高VGS可W提高电流镜像精度。 VGS电压偏差出现在电流镜中输入输出管的栅极电压没有直接连接而是通过OP 缓冲后连接，如图所示。同时NMOS管的所处在的地端电压一致也会导致MOS的源端电压不 同，引起电流镜中VGS不相同。 阳03引 VDS对电流镜像的影响： 饱和区：- (14) W40] 线性区： 饱和区的沟道调制系数A很小，远小于1，沟道越长A越小。 阳0创线性区中VGS-VTH〉VDS，其中VGS越大，式（19)中的系数越接近1。所W:(2C)) 综上所述，工作于饱和区的电流镜的电流镜像精度相对工作于线性区的电流镜更 易受VTH和VGS因素的影响，更易受工艺和版图匹配的影响。而工作于线性区的电流镜对 工艺和版图匹配的影响小些，但受VDS电压变化影响较大。所W提高工作于线性区的电流 镜的电流镜像精度的首要任务是保证电流镜输入输出管的VDS电压尽量相等。 申请号为201010238706.3的中国专利《一种自适应的电流镜》提出了一种工 作于线性区的自动切换电流档位的电流镜像方法，如图3所示，醒1-NM4为电流参考管， 醒5-NM8,NM8-12分别为两组电流镜像输出管，电流参考管和电流镜像输出管间采用共栅极 连接，而档位切换开关放置在MOS管的漏极互连，如图3中的SW1-9所示。电流镜采用工作 于线性区的MOS管进行电流镜像，AMP1-3的作用是限定醒1-NM12的MOS管的VDS电压，让 其等于参考电压化ef，实现电流镜像。因为由式（4)知道相同工艺的情况下参 数相同，电路上使得MOS管的VGS和VDS相同，则MOS管的漏源电流之比等于宽长比之比。 同时由线性区漏源电流公式（4)知道，VDS-定情况下，VGS电压反应了漏源电流ID(电路 中为Iref)的大小，通过判断VGS电压，判断电流的大小，从而切换相应的开关SW1-9动作， 实现电流档位切换。 该电流镜采用工作于线性区的MOS管进行电流镜像，可W有效的降低电流镜输出 端的最小电压，同时还可W通过切换电流档位在较大电流镜像时提高电流镜像精度，从而 扩展了电流镜像范围。但该电流镜仍然存在不足之处，是其档位切换开关SW1-9放置在MOS 的漏端进行互连。由公式（4)可W知道，工作在线性区的MOS管，其漏源电流ID与VDS成 二阶关系，也就是工作在线性区的MOS管其漏源电压VDS变化一点，其漏源电流ID发生较 大的变化。由于开关SW存在内阻，当开关闭合时，电流流过开关偏会产生压降AV。设开关 SW阻抗为R，则NM6上的VDS电压等于化ef-R* (I1+I2+I3)。化ef-般为几百mV，I1+I2+I3 一般会有几十mA，开关SW阻抗R若存在1欧姆的阻抗（NMOS管面积约50um*100um)则对 NM6的VDS电压产生几十mV(约10% )的影响。因此开关SW对NM6的VDS本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高精度宽电流范围电流镜，其特征在于：包括参考电流输入部分、电流档位判断与控制逻辑、镜像电流输出部分；所述参考电流输入部分、镜像电流输出部分分别与所述电流档位判断与控制逻辑连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李科举，秦鹏举，
申请(专利权)人：深圳市富满电子集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44
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