CN201035440Y - 电流镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流镜，包括：输入MOS管，所述输入MOS管的漏极与所述电流输入端相连；与所述输入MOS管源极相连的公共节点；第一双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极与所述输入MOS管的漏极相连，集电极与所述公共节点相连，发射极与所述输入MOS管的栅极相连；与所述输入MOS管具有相同类型导电沟道的输出MOS管，所述输出MOS管的栅极与所述输入MOS管的栅极相连，源极与所述公共节点相连；输出双极型晶体管，所述输出双极型晶体管的集电极与所述电流输出端相连，发射极与所述输出MOS管的漏极相连，基极与所述输入MOS管的栅极相连。此电流镜提高了电流镜像精确度。

Description

电流镜

技术领域

本实用新型涉及一种电流镜，更具体地说，涉及一种BiCMOS工艺的电流镜。

背景技术

将双极型(Bipolar)晶体管和互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管集成在一起的工艺称为BiCMOS工艺，它广泛的应用于电源管理芯片等模拟集成电路中，其中的CMOS的阈值电压普遍较高(0.7～1V)。然而，随着标准CMOS工艺的不断进步，特征尺寸的不断减小，标准CMOS芯片的供电电压也随之不断减小。出于成本和降低复杂度的考虑，在同一系统中的模拟芯片的供电电压也随之降低。模拟集成电路，特别是阈值电压相对较高的BiCMOS集成电路，被迫面临降低电压设计的挑战。

现有的CMOS工艺中的共源共栅电流镜的输入电压至少要达到2V_GS-V_TH(V_GS为MOS管的栅极与源极之间的电压，简称栅源电压，V_TH为MOS管的阈值电压)，通常为保证电路能正常工作需要留有一定的冗余，这个电压会更高。通常在5V的工作电压下没有问题，可以很好的工作，但是当输入电压将抵至3V甚至更低时，就不能够应用共源共栅电流镜。

现有的BiCMOS工艺中的一种电流镜如图1所示，其中电流输入管和电流输出管为NMOS管1M1和1M2。当MOS管工作在饱和区，即V_DS≥V_GS-V_TH时，其漏极电流为：

$i_D=K^{\′}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}})$

其中K′为工艺参数，同一工艺中的K′为定值；为MOS管的宽长比，为工艺参数；λ为沟道长度调制参数，同一工艺中的λ为定值；V_DS为MOS管漏极与源极之间的电压，简称漏源电压。

当电流镜的输入管1M1和输出管1M2工作在饱和区时，由于第一双极型晶体管1Q1的基极电流非常小，可忽略，所以可认为输入MOS管1M1的漏极电流i_11D即电流镜的电流输入端11的输入电流，为：

$I_{\mathrm{in}}\≈i_{11D}=K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}1})$

其中V_GS1为输入MOS管1M1的栅极与源极之间的电压差(简称栅源电压)，

为输入MOS管1M1的宽长比，V_DS1为输入MOS管1M1的漏极与源极的电压差(简称漏源电压)。

流过输出MOS管1M2的漏极12D的漏极电流i_12D，即电流镜的电流输出端13的镜像输出电流为：

$I_{\mathrm{out}1}=i_{12D}=K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2{(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}2})$

其中V_GS2为输入MOS管1M2的栅源电压，

为输出MOS管1M2的宽长比，V_DS2为输出MOS管1M2的漏源电压。

由于V_GS1＝V_GS2，所以

$\frac{I_{\mathrm{out}1}}{I_{\mathrm{in}}}\≈\frac{i_{11D}}{i_{12D}}=\frac{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2{(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}2})}{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}1})}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_2(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}2})}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}1})}$

由此可见，如果忽略沟道长度调制效应的影响，调节输入MOS管1M1和输出MOS管1M2的宽长比就能调节输出电流按比例复制输入电流。

此电流镜的输入电压V_in，即端点11D处的电压V_11D，为端点12G的电压V_12G减去第一双极型晶体管1Q1发射极与基极之间的电压差V_BE1，由于端点12S接地，有V_11D＝V_DS1，V_12G＝V_GS1，所以：

V_in＝V_11D＝V_DS1＝V_12G-V_BE1＝V_GS1-V_BE1

通常情况下BiCMOS工艺中的MOS管阈值电压大于一个PN结电压，所以V_DS1＝V_GS1-V_BE1＞V_GS1-V_TH，输入MOS管1M1管满足工作在饱和区的条件。此输入电压比CMOS工艺中的共源共栅电流镜的输入电压有明显的降低，满足低电压工作场合。

然而，本实用新型的设计人在设计本实用新型的过程中发现，上述现有BiCMOS工艺中的电流镜中的输入管1M1的漏源电压和输出管1M2的漏源电压并不一定相等，在此情况下，即使它们工作在饱和区且它们的栅源电压相等，由于沟道调整效应的影响(即前面所述λ参数的影响)，输出电流和输入电流会存在与漏源电压相关的比例上的误差，镜像精确度不高。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供了一种BiCMOS工艺下的电流镜，提高了电流镜像精确度。

本实用新型实施例的电流镜包括：

电流输入端；

输入MOS管，所述输入MOS管的漏极与所述电流输入端相连；

与所述输入MOS管源极相连的公共节点；

第一双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极与所述输入MOS管的漏极相连，集电极与所述公共节点相连，发射极与所述输入MOS管的栅极相连；

与所述输入MOS管具有相同类型导电沟道的输出MOS管，所述输出MOS管的栅极与所述输入MOS管的栅极相连，源极与所述公共节点相连；

电流输出端；

输出双极型晶体管，所述输出双极型晶体管的集电极与所述电流输出端相连，发射极与所述输出MOS管的漏极相连，基极与所述输入MOS管的栅极相连。

与图1所述的现有技术相比，本实用新型实施例在电流输出端增加了一个输出双极型晶体管，保证了输入MOS管的漏源电压和输出MOS管的漏源电压的一致性，使电流镜的输出电流对输入电流的镜像精确度更高。

另外，所述输出双极型晶体管的引入，在电流镜的输出端构成了电流负反馈，增大了电流镜的输出阻抗，使电流镜作为电源使用时，受外部阻抗的影响度减少。

附图说明

图1所示为现有技术中BiCMOS工艺的电流镜电路；

图2所示为本实用新型的实施例1的电路；

图3所示为本实用新型的实施例2的电路；

具体实施方式

图1所示的现有技术中，输入MOS管的漏源电压与栅源电压相差第一双极型晶体管的发射结压降，本实用新型的实施例中，在电流输出端增加了一个输出双极型晶体管，使输出MOS管的漏源电压与栅源电压相差输出双极型晶体管的发射结压降，由于输入MOS管与输出MOS管的栅源电压相等，而双极型晶体管的发射结压降基本相等，只有由于工艺原因造成的微小差别，所以输出双极型晶体管的引入使输出MOS管的漏源电压与输入MOS管的漏源电压保持一致性，减少或消除了沟道长度调制效应的影响，提高了输出电流对输入电流的镜像精确度。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面参照附图说明本实用新型的实施方式。

实施例1：

在本实施例中，电流镜具有两个电流输出端，与此相应，有两个输出MOS管，两个输出双极型晶体管，本实施例以电路中的MOS管为NMOS管，第一双极型晶体管为第一双极型PNP管，输出双极型晶体管为NPN管为例来说明电路的构成。

如图2所示，第一电流输出端13和第二电流输出端14对应的输出双极型晶体管分别为第一输出双极型NPN管1Q2和第二输出双极型NPN管1Q3，对应的输出NMOS管为第一输出NMOS管1M2和第二输出NMOS管1M3，电流输入端11与输入NMOS管1M1的漏极以及第一双极型PNP管1Q1的基极连接于端点11D，第一双极型PNP管1Q1的发射极、第一输出双极型NPN管1Q2的基极和第二输出双极型NPN管1Q3的基极、输入NMOS管1M1的栅极、第一输出NMOS管1M2的栅极以及第二输出NMOS管1M3的栅极连接于端点12G，第一双极型PNP管1Q1的集电极、输入NMOS管1M1的源极和第一输出NMOS管1M2的源极以及第二输出NMOS管1M3的源极连接于第一公共节点12S并接地，第一输出NMOS管1M2的漏极与第一输出双极型NPN管1Q2的发射极连接于端点12D，第一输出双极型NPN管1Q2的集电极与第一电流输出端13相连，第二输出NMOS管1M3的漏极与第二输出双极型NPN管1Q3的发射极连接与端点13D，第二输出双极型NPN管1Q3的集电极与第二电流输出端14相连。

下面通过分析第一电流输出端13对应的电路结构来分析第一电流输出端13的输出电流I_out1，由于两个输出端对应的电路结构完全相同，所以不再重复分析第二电流输出端14的输出电流I_out2。

在同一工艺的电路中，双极型晶体管的基极与发射极的结电压随工艺的偏差非常小，可以认为第一双极型PNP管1Q1的基极与发射极的结电压V_BE1与第一输出双极型NPN管1Q2的基极与发射极的结电压V_BE2相等，这种认为给电路带来的误差不影响电路应用，即可认为在此电路中，有V_BE1＝V_BE2，而输入NMOS管1M1的漏源电压

V_DS1＝V_12G-V_BE1-V_12S，

其中，V_12G及V_12S分别是端点12G及端点12S处的电压。

第一输出NMOS管1M2的漏源电压

V_DS2＝V_12G-V_BE2-V_12S，

由V_BE1＝V_BE2，可知V_DS1＝V_DS2，MOS管工作在线性区时的漏电流的表达式为：

$i_D=K^{\′}\frac{W}{L}[(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})-\frac{V_{\mathrm{DS}}}{2}]*V_{\mathrm{DS}}.$

忽略双极型晶体管基极电流的影响，可得输入电流

$I_{\mathrm{in}}\≈i_{11D}=K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1[(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{TH}})-\frac{V_{\mathrm{DS}1}}{2}]*V_{\mathrm{DS}1},$

输出电流

$I_{\mathrm{out}1}\≈i_{12D}=K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2[(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})-\frac{V_{\mathrm{DS}2}}{2}]*V_{\mathrm{DS}2}$

由于输入NMOS管1M1和第一输出NMOS管1M2在同一工艺条件下制作，K′和V_TH一定，而输入NMOS管1M1和第一输出NMOS管1M2的栅源电压，漏源电压均相等，不同的是它们的宽长比

由此可知，在此实施例的电路中，即使输入NMOS管1M1和第一输出NMOS管1M2工作于线性区，第一电流输出端13的输出电流也能按比例复制电流输入端11的输入电流，此比例为第一输出NMOS管1M2与输入NMOS管1M1的宽长比之比，即：

$\frac{I_{\mathrm{out}1}}{I_{\mathrm{in}}}\≈\frac{i_{12D}}{i_{11D}}=\frac{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2[(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})-\frac{V_{\mathrm{DS}2}}{2}]*V_{\mathrm{DS}2}}{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1[(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{TH}})-\frac{V_{\mathrm{DS}1}}{2}]*V_{\mathrm{DS}1}}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_2}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1}.$

同样，由于V_DS1＝V_DS2，V_GS1＝V_GS2，当输入NMOS管1M1和第一输出NMOS管1M2工作在饱和区时，有

$\frac{I_{\mathrm{out}1}}{I_{\mathrm{in}}}\≈\frac{i_{12D}}{i_{11D}}=\frac{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2{(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}2})}{K^{\′}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{TH}})}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}1})}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_2(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}2})}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1(1+{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{DS}1})}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_2}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1},$

从而消除了MOS管的沟道长度调制效应给电流镜的输出电流带来的误差，提高了输出电流对输入电流的镜像精确度。

在镜像电流输出端加入了输出双极型NPN管1Q2构成的控制电路后，构成了这样一个电流负反馈：假设I_out1在正常的输出值的情况下由于某种因素影响而偏离正常值，当I_out1增大或减小时，V_DS2相应地升高或降低，由于V_GS2保持不变，而V_GS2＝V_BE2+V_DS2，所以V_BE2相应地降低或升高，从而使第二输出双极型NPN管1Q2的集电极电流，即I_out1减小或增大，使I_out1返回正常值。所属领域技术人员知道，此电流负反馈的引入增大了电流镜的输出电阻。

实施例2：

实施例1中电流镜电路的NMOS管、NPN型双极型晶体管、PNP型双极型晶体管可分别由PMOS管、PNP型双极型晶体管、NPN型双极型晶体管替代，替代后的电路如图3所示：电流输入端11与输入PMOS管2M1的漏极以及第一双极型NPN管2Q1的基极连接于端点21D，第一双极型NPN管2Q1的发射极、输出双极型PNP管2Q2的基极、输出双极型PNP管2Q3的基极、输入PMOS管2M1的栅极以及第一输出PMOS管2M2的栅极和第二输出PMOS管2M3的栅极连接于端点21G，第一双极型NPN管2Q1的集电极、输入PMOS管2M1的源极、第一输出PMOS管2M2的源极和第二输出PMOS管2M3的源极连接于第一公共节点21S，第一公共节点21S与偏置电源VDD相连，第一输出PMOS管2M2的漏极与第一输出PNP管2Q2的发射极连接于端点22D，第二输出PMOS管2M3的漏极与第二输出PNP管2Q3的发射极连接于端点23D，第一输出PNP管2Q2的集电极与第一电流输出端13相连，第二输出PNP管2Q3的集电极与第二电流输出端14相连。

图3所示的电路与图2所示的电路相比，只是对应晶体管的类型发生了改变，两电路的原理相似，本领域技术人员可类比得出：此实施例电路中的MOS管工作在线性区时，输出电流仍能按比例复制输入电流；MOS管工作在饱和区时减少或消除了MOS管的沟道长度调制效应给电流镜的输出电流带来的误差，提高了输出电流对输入电流的镜像精确度；输出PNP管构成的控制电路的引入增大了电流镜的输出电阻。

还需指出的是，本实用新型的电流镜电路的电流输出端包含但不限于有两个，还可以为一个输出端，也可以多于两个。根据以上所述，本领域的技术人员很容易实现一个或多于两个电流输出端的电流镜电路。

通过替换以上所述电流镜电路中的MOS管及双极型晶体管的类型将会得到本实用新型的其它实施方式，其原理相同，在此不再赘述。

以上所述为本实用新型的几种实现方式，本领域内的技术人员可以根据以上的说明用不同的方式实现本实用新型所述电路，在本实用新型的精神和原则内所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电流镜，包括：

电流输入端；

输入MOS管，所述输入MOS管的漏极与所述电流输入端相连；

与所述输入MOS管源极相连的公共节点；

第一双极型晶体管，所述第一双极型晶体管的基极与所述输入MOS管的漏极相连，集电极与所述公共节点相连，发射极与所述输入MOS管的栅极相连；

与所述输入MOS管具有相同类型导电沟道的输出MOS管，所述输出MOS管的栅极与所述输入MOS管的栅极相连，源极与所述公共节点相连；

其特征在于，所述电流镜还包括：

电流输出端；

输出双极型晶体管，所述输出双极型晶体管的集电极与所述电流输出端相连，发射极与所述输出MOS管的漏极相连，基极与所述输入MOS管的栅极相连。

2.如权利要求1所述的电流镜，其特征在于，所述输入MOS管为N沟道MOS管，所述公共节点接地。

3.如权利要求1所述的电流镜，其特征在于，所述输入MOS管为P沟道MOS管，所述公共节接偏置电源。

4.如权利要求2所述的电流镜，其特征在于，所述第一双极型晶体管为PNP型晶体管。

5.如权利要求4所述的电流镜，其特征在于，所述输出双极型晶体管为NPN型晶体管。

6.如权利要求3所述的电流镜，其特征在于，所述第一双极型晶体管为NPN型晶体管。

7.如权利要求6所述的电流镜，其特征在于，所述输出双极型晶体管为PNP型晶体管。

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