模拟集成电路的重要组成部分是什么？

低压共源共栅电流镜的偏置电路

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2020.04.008

低压共源共栅电流镜的偏置电路［J］。集成电路应用， 2020， 37（04）：25-27.

Analysis of the Bias Circuits in the Low Voltage

Cascode Current Mirror

HUANG Suping

Abstract — Low voltage cascode current mirror is widely used in analog integrated circuits because of its high output impedance， stable output current， and large output voltage swing. However， it needs extra bias circuit to ensure that the transistors work in the saturation region. There are three main structures of bias circuit： double input type， inverse aspect ratio type and self-bias type. The working principle of each bias circuit is analyzed in detail， and the key points and rules of circuit design are given in this paper. Based on 0.5μm BCD process and Spectre software， the output characteristic， power supply characteristic and temperature characteristic are simulated. The simulation results show that there is no difference between the double input type and the inverse width length ratio type， the self-bias type needs higher power supply voltage but is preferred for low power circuits.

Index Terms — IC design， low voltage device， cascode， current mirror， bias circuit.

电流镜是模拟集成电路的重要组成部分，由于其具有输出电流恒定，不受输入电压影响等优点，常常被用作放大电路的有源负载或电流偏置［1］。如今，MOS 管的特征尺寸越来越小，二阶效应愈发严重，针对普通结构的电流镜，由于沟道长度调制效应导致的电流误差比较大，因此电路设计时常采用共源共栅电流镜结构，来提高输出电阻，减小电流误差。但是，传统的共源共栅电流镜由于其电路结构特点，是以牺牲输出电压幅度来换取输出的高阻抗，且要求更高的电源电压，不适用于当今的低压电路系统。低压共源共栅电流镜解决了这个问题，它将输出电压幅度大大提升的同时需要额外的偏置电路。文献［2-4］里都采用了低压共源共栅电流镜，但它们的偏置电路都不一样。因此，在进行模拟电路设计时，如何选择共源共栅电流镜的偏置电路，以及 MOS 管的参数应怎样确定，本文都将详细阐述。

1 共源共栅电流镜

1.1 标准共源共栅电流镜

标准共源共栅电流镜如图 1 所示，在 M1 和 M3 构成的普通电流镜的基础上增加了 M2 和 M4 管。这种结构有两个优点：（1）可使得两 MOS 管漏源电压 VDS1＝VDS3，消除沟道调制效应引起的电流误差，得到比较精确的电流比。（２）由于共源共栅结构的输出电阻非常大，因此提高了电流镜的带载能力。但电流镜不适用于低电压环境，该电流镜对输入电压和输出电压的要求为式（1）。

（1）

其中，VOV 为 MOS 管的过驱动电压，Vt 为阈值电压。假设 MOS 管的 VOV 都设计为 0.3 V，且忽略管子的体效应，即 Vt 均为 0.7 V，则该电流镜对输入电压和输出电压的要求为式（2）。

（2）

可见，当电源电压 VDD 为 2 V 或更低时，输入电压得不到满足，且输出电压的摆幅也比较小。

1.2 低压共源共栅电流镜

在图 1 的基础上适当调整：将 M3 和 M1 的栅极电压由 M4 的漏极引入，而 M2 和 M4 的栅极由别的偏置电压 Vb 引入，就构成了的低压共源共栅电流镜。该电路不仅有图 1 所示电路的两个优点，还能应用于低压环境。该电流镜对输入电压和输出电压的要求为式（3）。

（3）

将 VOV＝0.3 V，Vt＝0.7 V 代入上式得式（4）。

（4）

对比式（2）和式（4），可见低压共源共栅电流镜一方面增大了输入电压范围，另一方面也提高了输出电压摆幅。

为了使 M1~M4 均工作在饱和区，Vb 必须满足一定条件：首先 M4 要饱和，应满足式（5）。

（5）

其次，M3 要饱和，应满足式（6）。

（6）

综合式（5）、式（6）可得 Vb 为式（7）。

（7）

由式（7）可知，当 时，即 时，Vb 有解，而该条件在现有工艺下一般都能满足。因此 Vb 只要满足式（6）即可。由 整理式（6）得式（8）。

（8）

因此偏置电压 Vb 最小值一定要按照公式（8）设计，不然 M1 和 M3 易进入线性区。

该电流镜在设计时还有一个要点要注意，为了降低 M4 的体效应，应尽量使 M4 的源极电压较低，即 M3 的漏源电压 VDS3 应比较小，这样就要求 M3 管的宽长比较大。因此在设计共源共栅电流镜时，M3 和 M4 的宽长比通常满足以下式（9）条件。

（9）

2 低压共源共栅电流镜的偏置电路

低压共源共栅的偏置电压 Vb 一般可由三种偏置电路提供，下面详细介绍这些电路结构。

2.1 双输入型共源共栅电流镜

图 3 中的 M5 和 M6 构成第一种偏置电路［5］，此偏置电路需要再额外提供一支电 流 Iin，因此整个电流镜的功耗会大些。图中的 M5 和 M6 工作状态：M6 的栅极和漏极连在一起构成二极管连接方式，则始终满足 。因此，M6 上电后工作在饱和区，MOS 管饱和区的电流电压为式（10）所示。

（10）

M5 的栅极接到 M6 的栅极，M5 的漏极接到 M6 的源级，可得 ，因此 M5 工作在线性区，MOS 管线性区的电流电压为式（11）。

（11）

偏置电路设计的目标是 ，因此可让工作在线性区的 M5 漏源电压为 ，工作在饱和区的 M6 漏源电压为 ，联立式（10）、式（11）求解，可得 M5 和 M6 宽长比的关系为式（12）。

（12）

因此在电路设计时，要保证 M5 和 M6 的宽长比满足式（12），M5 的宽长比越小，提供的 Vb 越大。

 M3、M4 和 M6 的宽长比关系要通过 Vb 来确定。由 M5、M6 提供的 Vb 为式（13）。

（13）

M4 的栅极电压可表示为

（14）

因此只要 Vb ≥ VG4，则电流镜能正常工作。忽略管子的体效应，联立式（13）、式（14）可解得M3、M4 和 M6 的宽长比关系如式（15）。

（15）

2.2 倒宽长比型共源共栅电流镜

图 3 中的 M5、M6 可被认为 MOS 管的串联连接，等效为一个二极管连接形式的晶体管 M7。M7 的宽长比应满足式（16）条件。

（16）

即 M7 的宽长比 M6 小 4 倍以上，才能保证 Vb 提供足够的偏置电压。图 5 所示的电路为倒宽长比型共源共栅电流镜［6］，M7 构成的偏置电路为 M2 和 M4 的栅极提供偏置电压 Vb，在电路设计时，M3、M4 和 M7 的宽长比的关系可通过 Vb 来确定。由 M7 提供的 Vb 为式（17）。

（17）

因此，只要 Vb ≥ VG4，则电流镜能正常工作。忽略管子的体效应，联立式（14）和式（17）可解得M3、M4 和 M7 的宽长比关系如式（18）。

（18）

分析上式，文献［6］中给出的关系为式（19）。

（19）

可见 M7 一般都设置为倒宽长比来保证 Vb 满足条件。根据式（7），要满足可得式（20）。

（20）

MOS 管处于饱和区时， 一般 VOV 为 0.2~0.5 V，而 NMOS 的 Vt 为 0.7 V 左右，因此根据式（20）可求出 n 的范围为 1~2。

2.3 自偏置型共源共栅电流镜

偏置电路都需要多消耗一路电流，因此在低功耗电路中就必须采用图 6 所示的自偏置型共源共栅电流镜［7，8］。

电路设计的关键是合理设置电阻 R1 的值，使得 M4 的栅极电压比 M3 的栅极电压高一个 VOV。R1 设置 Vb 可表示为式（21）。

（21）

将式（21）代入式（7）可求得式（22）。

（22）

当 R1 取值小于下限时，M3 将工作在线性区，M4 工作在饱和区；当 R1 取值大于上限时，M3 将工作在饱和区，M4 工作在线性区。由于 R1 要消耗电压 R1Iin，需要更大的 Vin，因此 R1 趋近于下限为宜。

3 仿真验证结果

基于 0. 5μm BCD 工艺和 Spectre 软件分别对三种偏置的共源共栅电流镜进行仿真，将 MOS 管的过驱动电压 VOV 设计为 0.3 V 时，各管的宽长比设置为：（W/L）1＝（W/L）２＝（W/L）３＝（W/L）４＝20μm/2μm，参考电流为 Iin＝50μA。仿真的主要 3 个特性：输出特性、电源特性、温度特性。

3.1 输出特性仿真

VDD＝3 V 时的仿真结果，分析可知：（1）当 Vout ≥ 0.6 V 时，Iout 一直为 50μA 不变，输出阻抗较大，输出特性较好。（2）双输入型和倒宽长比型的输出特性基本一致。

3.2 电源特性仿真

Vout＝2 V，R1＝10 kΩ时的仿真结果。分析可知：（1）双输入型和倒宽长比型的电源特性基本一致，当电源电压 VDD 在 2 V 时，所有的 MOS 管都已进入饱和区，输出电流 Iout ≈ 50μA。（2）自偏置型的 VDD 在 2.5 V 时，输出电流 Iout ≈ 50 μA，这是由于电阻 R1 上有 0.5 V 的压降，因此需要的电源电压就要高出 0.5 V。

3.3 温度特性仿真

VDD＝3 V、Vout＝2 V，R1＝10 kΩ 时，温度扫描范围为 -45~85℃ 的仿真结果，分析可知：（1）双输入型和倒宽长比型的 Iout ≈ 50.7μA，且基本不随温度变化，温度特性良好。（2）自偏置型的 Iout 在 49.6~50 μA，且温度每增加一度，输出电路增加约 3 nA，产生了正温度系数电流。

4 结语

低压共源共栅电流镜的三种偏置电路中，双输入型和倒宽长比型本质上是一致的，且温度特性良好，更适合于低压环境；而自偏置型由于引入的电阻具有温度特性，因此输出电流也具有温度特性。虽然它要求的电源电压要更大些，但总的功耗较低，适用于低功耗电路。
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