電流鏡是模擬集成電路設(shè)計(jì)中基本的電路單元之一，在電流拷貝，運(yùn)放偏置等電路中極為常見，其決定著電流拷貝的精準(zhǔn)性以及運(yùn)放的增益，匹配等特性。共源共柵電流鏡得益于其優(yōu)越的輸出阻抗，在高精度的模擬電路中被廣泛使用。
簡單共源共柵電流鏡
圖1 簡單共源共柵電流鏡
上圖所示為簡單的共源共柵電流鏡，對該電路而言，只需要保證M1和M3，M2和M4這兩對MOS管成比例的設(shè)計(jì)，同時(shí)輸出電壓大于Vgs1+Vdsat2的要求，即可使所有的MOS管都工作在飽和區(qū)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電流拷貝和較大的輸出阻抗。
在設(shè)計(jì)時(shí)，我們常常將M1和M3設(shè)計(jì)得具有較大的溝長L和較大的過驅(qū)動(dòng)電壓，這是因?yàn)殡娏骺截愔饕蒑1和M3決定，因此較大的溝長L可以保證M1和M3輸出阻抗更大，因而更少地受到漏端電壓的影響，電流拷貝更為精準(zhǔn)。
而較大的過驅(qū)動(dòng)電壓可以保證他們受失配的影響更小。而作為減弱輸出電壓影響功能的M2和M4，出于面積和輸出電壓裕度的考慮，要求變得寬松了很多，事實(shí)上M2和M4在設(shè)計(jì)時(shí)甚至可以采用工藝允許的最小溝長。這一點(diǎn)在所有的共源共柵中都是適用的。
該電路的最大缺點(diǎn)即為其“吃掉”了很大的輸出電壓裕度，相比低壓共源共柵電流鏡，它需要的輸出電壓“高”一個(gè)Vth,對于在意輸出電壓范圍的應(yīng)用，如供電電壓很低，或?yàn)樽鳛楣苍垂矕胚\(yùn)放的輸出級等，該電路顯得“浪費(fèi)”，因此不那么適用。
而對一個(gè)不在意輸出電壓范圍的電路，比如芯片中各種電流的簡單拷貝，其電路簡單，設(shè)計(jì)方便，需要考慮的因素沒有低壓共源共柵電流鏡多，因此更為適用。
低壓共源共柵電流鏡
圖2 低壓共源共柵電流鏡1
圖3 低壓共源共柵電流鏡2
為了解決簡單共源共柵電流鏡輸出電壓范圍大的問題，低壓共源共柵電流鏡應(yīng)運(yùn)而生。圖2和圖3給出了日常設(shè)計(jì)中兩種常用的低壓共源共柵電流鏡電路，兩者區(qū)別為產(chǎn)生M2(M4)的柵極偏置電壓電路的不同。
相同的是，為了使所有晶體管工作在飽和區(qū)，電路需要滿足式(1)：
在圖2中，Vg2即為M5的柵源電壓Vgs5，通過另外一路電流加上合理選擇M5的尺寸，以使得Vg2滿足上式的要求。而在圖3中，Vg2為Vgs1+IinR,通過選擇R的值即可確定Vg2。
根據(jù)式(1)可知，Vg2被限定在一個(gè)范圍內(nèi)，因此相比簡單的共源共柵電流鏡，低壓共源共柵電流鏡受到了額外的約束，在這種約束下，會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況：
情況1：Vg2如果設(shè)置過低，則容易使得M1進(jìn)入線性區(qū)，因?yàn)樵陔娏麋R中，M1和M3決定電流拷貝，因此工作在線性區(qū)會(huì)使得該電流鏡直接不正常工作；
情況2：如果Vg2設(shè)置過高，則M2進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)M4是否進(jìn)入線性區(qū)取決于M4的漏端電壓。但此時(shí)，M1和M3仍然工作在飽和區(qū)，電流拷貝仍然正常。
如果M4的漏端電壓足夠到M4工作在飽和區(qū)，那么M4仍然可以起到減弱輸出電壓對M3漏端電壓影響的作用，但是因?yàn)镸1+M2與M3+M4不是完全鏡像，因此電流拷貝的精準(zhǔn)性不如完全正常工作的電流鏡。
這種情況，如果不要求電流拷貝準(zhǔn)確，只單純想要高輸出阻抗，比如作為運(yùn)放輸出級，那么該目標(biāo)仍然可以實(shí)現(xiàn)。因此，如果在設(shè)計(jì)運(yùn)放偏置時(shí)，由于電路的限制，必須選擇Vg2在整個(gè)溫度，工藝角范圍內(nèi)高一些或是低一些，高一些這個(gè)選擇可能影響會(huì)更小。
這也是筆者在電路設(shè)計(jì)時(shí)常常遇到的問題，該問題尤其在Vgs1較低時(shí)更容易出現(xiàn)，因?yàn)樵撉闆r會(huì)使得留給Vg2的可選范圍很小，尤其加上溫度和工藝角的考慮。
圖2和圖3相比，圖2電流需要多一路電流進(jìn)行偏置，而圖3電路需要多使用一個(gè)電阻，前者帶來額外的功耗和電路復(fù)雜度，后者帶來更大的面積（尤其在低功耗電路中），設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。
相比簡單共源共柵電流鏡，低壓共源共柵電流鏡多了一個(gè)閾值電壓的輸出電壓裕度，因此更適用于低供電電壓，運(yùn)放輸出級等場景。
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