一种自适应电流镜制造技术

本发明专利技术公开了一种自适应电流镜，由若干个子级电流镜串联组成，其中每个子级电流镜包括：一输入电路单元，若干输出电路单元和一电压检控单元和一负反馈阻抗调节单元。输入电路单元和输出电路单元由基本晶体管和备选晶体管并联组成，基本晶体管和备选晶体管之间设有开关，这些晶体管采用相同的类型并具有相同的阈值电压，均工作在线性区；电压检控单元检测输入电路单元与输出电路单元中晶体管的栅极电压，与预设的两个电压基准比较，根据比较结果控制开关的关断，控制备选晶体管的导通或截止来调节输出电流的范围。本发明专利技术拓展了传统电流镜的输出电流范围，并在较大的输出电流范围内保持较高的恒流精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路
，尤其涉及一种自适应电流镜。
技术介绍
在现有的多位输出的LED恒流驱动电路，其输出电流大小由一个外挂电阻产生的输入电流决定，输出电流大小和精度取决于比例电流镜。实际使用中，根据具体应用的不同，需要的输出电流大小也会不同。而现有技术中电流镜的工作范围有限，尤其保持高精度的工作范围有限。为了满足不同的输出电流需求，其通常做法是按照不同的电流范围分档设计、生产多个芯片产品，或者在同一个芯片上提供不同精度的使用区间。例如，目前市场上片内精度±3％常见的3～45mA档、10～50mA档、20～30mA档、30～90mA档等，而对于标称工作区间为5～90mA的产品，其实际达到片内精度±3％的精确区间仅为10～60mA。这大大增加了设计开发和生产备货成本，也增加了客户选购产品的难度。如果能够在一颗芯片上实现较大电流范围内(如1～90mA全范围片内精度±3％)都能保持精度则既减轻了设计开发负担，又降低了制造成本和提高了生产效率，还可大大提升了客户使用的方便性。这就需要一种可在宽电流范围内保持高精度的电流镜。电流镜电路在实际使用方面分为两种：一种是电流源，即向外输出稳定的电流；还有一种是电流阱或电流漏，即从外电路吸收稳定的电流，偶数级子级电流镜串联使用即可以实现电流源与电流阱的相互转换。在模拟电路和/或大规模数模混合集成电路中，经常使用精确的电流作为参考电流或基准电流。由于同一芯片中基准电源通常用一个，其不同的模拟电路单元(IP)、不同电路模块设计和/或采用的晶体管类型不同，经常需要提供不同的方向(通常称为灌电流或拉电流)和不同大小的电流。实际的应用中常常使用简单的NMOS电流镜连接PMOS电流镜或反之的方法解决，但对精度的损害较大。如果有一种方向灵活、电流范围宽的高精度电流镜将可有效地解决此问题。在高精度模拟电路中常常需要精确比例的MOS管，例如电流镜的输入管和输出管之间的宽长比W/L需要精确的比例对称，在版图上必须实行对称设计。在比例管的倍率相差不大时，版图上容易对称；而当倍率相差过大时，对称的版图设计上就要困难的多，而且由于工艺波动引起的比例管之间的参数偏差也大。将大倍率拆分成几级较小倍率相串联可以解决此问题，但在电流镜精度误差较大的情况下无法采用。传统的MOS电流镜电路如图1所示。输入电流Iref经过M0，产生M0、M1和M2的栅电压，这三个晶体管均为NMOS管，且都工作在饱和状态，具有相同的栅源电压。不考虑漏电压的影响，如果M1和M2管的宽长比(W/L)与M0的宽长比相同，则M1和M2的漏源电流就等于M0的漏源电流。如果M0、M1、M2的宽长比不同，则三个管子的电流之比等于它们的宽长比之比。但是，实际使用时，M0、M1和M2管的漏源电压难以保持一致，所产生的误差使这种传统的电流镜无法满足高精度场合的要求。工作在饱和区MOS管的漏源电流方程如式(1)所示：-->Ids=12μCoxWL(Vgs-Vth)2(1+λVds)---(1)]]>其中，μ表示载流子迁移率，Cox表示单位面积的栅氧电容，W、L分别为MOS管的沟道宽度与沟道长度，Vgs、Vth、Vds分别表示栅源电压、阈值电压、漏源电压，λ表示沟道调制系数。MOS管工作于饱和区的条件为：Vds≥(Vgs-Vth)                  (2)MOS管工作在线性区时的漏源电流方程如式(3)所示：Ids=12μCoxWL[2(Vgs-Vth)Vds-Vds2]---(3)]]>MOS管工作在线性区的条件为：Vds≤(Vgs-Vth)                  (4)因此，MOS管处于饱和区与线性区边界的条件是：Vds＝(Vgs-Vth)                  (5)在确定的工艺条件下，如果固定了MOS管的宽长比W/L和漏源电压Vds，根据式(1)～(5)可以得出：1、无论MOS管工作在饱和区还是线性区，漏源电流Ids的工作范围主要由其栅源电压Vgs决定，漏源电流Ids随着栅源电压Vgs的变化而改变；2、无论MOS管工作在饱和区还是线性区，最小的栅源电压Vgs(min)都受限于MOS管的阈值电压Vth。由于漏源电流受Vgs-Vth的影响，考虑输出电流精度，栅源电压Vgs应与阈值电Vth保持适当差值，以减小阈值电压Vth的波动对漏源电流造成的影响；3、工作在饱和区的MOS管的最大栅源电压Vgs(max)小于Vds+Vth，在较低的漏源电压工作时，其栅源电压相应的也必须较低，此时漏源电流会很小，故要想得到较大的电流输出，需要大幅增加输出MOS管的宽长比W/L，增加了芯片面积和成本；4、而工作在线性区的MOS管，因其栅源电压Vgs要大于Vds+Vth，且其最大栅源电压Vgs(max)仅受限于MOS管的规格，其值通常不超过实际采用的电源电压VDD，故而同样的宽长比W/L可以得到更大电流，换句话说，同样大小的电流需要的芯片面积更小，成本更低；5、饱和区的Ids与(Vgs-Vth)的平方成正比，故而任何Vth的微小变化都会被成倍的放大；而线性区的Ids仅与(Vgs-Vth)成一阶线性关系，Vth的变化造成对Ids的影响小于饱和区；6、由于饱和区的漏源电压大于线性区，在相同的电流下，饱和区工作的MOS管功耗大于线性区；7、只要栅源电压Vgs一定，漏源电流的精度仅与工艺参数(μ、Cox、λ、Vth)有关。另外，在确定的工艺条件下，如果固定MOS管的宽长比，而不固定漏源电压Vds，根据式(1)～(5)可以得出：1、无论MOS管工作在线性区还是饱和区，漏源电流均受漏源电压的变化的影响，造成精度下降；2、无论MOS管工作在线性区还是饱和区，当Ids增大时，相应的Vgs会加大；3、由于Vds的增大，沟道调制效应加剧，精度下降；4、当Ids增大时，工作在线性区的MOS管主要依靠增加Vgs实现，因为要保证Vgs大于(Vds+Vth)，故其Vds增加较小；而工作于饱和区的MOS管，虽然可以通过增加Vds来增大电-->流，但易受沟道调制效应的影响，且增大的幅度也有限；如果通过增加Vgs来实现，为保证Vds大于(Vgs-Vth)而工作在饱和区，在Vgs大幅增加时，Vds必须大幅增加，因而随Ids增大，饱和区MOS管的功耗的增加值(ΔIds*ΔVds)增加的幅度大于线性区。而在确定的工艺条件下，如果固定漏源电压Vds，而不固定MOS管的宽长比，根据式(1)～(5)可以得出：1、同样的漏源电流下，宽长比越小，栅源电压Vgs愈大；宽长比越大，栅源电压Vgs愈小；2、同样的栅源电压Vgs下，宽长比越大，漏源电流愈大；宽长比越小，电流愈小。为了使如图1所示电流镜的NMOS管M0和M1的漏源电压相同，提高电流镜的精度，如图2所示的电路结构被提出。如图2所示，将M0和M1的漏端电压作为运算放大器的两个输入端，并增加PMOS管M2，并将其连接成负反馈的形式。这样根据运算放大器的工作原理，可知M0和M1的漏源电压相同。本方法仅仅解决了漏源电压Vds的相等问题。申请号为200610075818.5的中国专利公开了一种自动换档电流镜，如图3所示，该电路由电流感应模块100、前级电流镜单元200、后级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应电流镜，由若干个子级电流镜串联组成，其特征在于，每个子级电流镜包括：一输入电路单元，该输入电路单元由至少一个基本晶体管和至少一个备选晶体管并联组成，基本晶体管的漏极连接一输入电流，备选晶体管与基本晶体管之间设有开关；若干输出电路单元，每个输出电路单元由至少一个基本晶体管和至少一个备选晶体管并联组成，备选晶体管与基本晶体管之间设有开关，输入电路单元与输出电路单元中基本晶体管栅极均互连，输入电路单元与输出电路单元中基本晶体管的源极均互连；一电压检控单元，检测输入电路单元与输出电路单元中晶体管的栅极电压，与预设的两个电压基准比较，根据比较结果控制输入电路单元与输出电路单元中开关的通断。

【技术特征摘要】
1.一种自适应电流镜，由若干个子级电流镜串联组成，其特征在于，每个子级电流镜包括：一输入电路单元，该输入电路单元由至少一个基本晶体管和至少一个备选晶体管并联组成，基本晶体管的漏极连接一输入电流，备选晶体管与基本晶体管之间设有开关；若干输出电路单元，每个输出电路单元由至少一个基本晶体管和至少一个备选晶体管并联组成，备选晶体管与基本晶体管之间设有开关，输入电路单元与输出电路单元中基本晶体管栅极均互连，输入电路单元与输出电路单元中基本晶体管的源极均互连；一电压检控单元，检测输入电路单元与输出电路单元中晶体管的栅极电压，与预设的两个电压基准比较，根据比较结果控制输入电路单元与输出电路单元中开关的通断。2.根据权利要求1所述的自适应电流镜，其特征在于，所述的输入电路单元和输出电路单元中基本晶体管和备选晶体管具有相同的阈值电压。3.根据权利要求1或2所述的自适应电流镜，其特征在于，所述的输入电路单元中基本晶体管的漏极连接第一运算放大器的一个输入端，第一运算放大器的另一个输入端连接一参考电压，第一运算放大器的输出端连接所述的输入电路单元中基本晶体管的栅极。4.根据权利要求1或2所述的自适应电流镜，其特征在于，所述的输出电路单元中基本晶体管的漏极通过一负反馈阻抗调节单元输出电流，所述的负反馈阻抗调节单元由第二运算放大器与第一晶体管组成，所述的第二运算放大器的一个输入端接输入电路单元中基本晶体管的漏极，第二运算放大器的另一个输入端接第一晶体管的源极和输出电路单元中基本晶体管的漏极，第二运算放大器的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一尘，卢晓冬，唐仁明，何乐年，
申请(专利权)人：苏州日月成科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]