低压共源共栅电流镜在模拟IC的用法

电流镜在模拟IC中可以说是必不可少，关键又很重要。电流镜的结构有很多种，今天来总结一下低压共源共栅电流镜在模拟IC的用法以及偏置电压产生方法。

入职几个与以来，完成了mentor的三个月入职计划，也是正式进入了项目之中，开始也是先熟悉项目里面的电路，我是接手了老同事的osc模块。从上周开始，根据新项目进度，也是正式进入了design阶段，才发现，在企业做design，和在学校做design还是有差距的，什么模块的电路的结构不能随意去试错，不像在学校，这个结构不行换个再试试。在公司这样做的话，时间成本太大了。

读研期间以及工作之后，看过这么多电路，做过这么多电路，发现，低压cascode电流镜真的是不管是学校，还是公司，应用都非常之多，我总结到，一共有3种偏置方法，公司和学校都有在用的，今天总结出来，供大家学习。

回到正题，电流镜主要是用来copy电流的，那么copy的准不准，就看你用什么结构了，cascode结构相比非cascode，由于它的高阻抗，能够使得电流copy的更加精准。

cascode又分为很多种类，常见的主要普通cascode和低压cascode电流镜，如下图：

相比于普通cascode mirror，低压cascode有更大的摆幅，而应用最多。但是，它也有一个弊端就是，有一个偏置电压Vb的产生，需要额外电路去产生，相比普通cascode，Vb的产生电路也会增加功耗，尽管如此，低压cascode应用也远大于普通cascode，比如在低压域中，摆幅是个很奢侈的东西，能大则大。

那么Vb的产生一共有三种实用方法，首先是第一种。

（1）仅通过一个MOS管提供Vb

如图，M4是二极管连接方法，M4的栅极电压/漏极电压就是Vb，假设M4的电流和M5/M3的电流相同，都是IREF，且M3和M5的尺寸相同，为了得到最大的电压摆幅，Vb（即M4的Vgs4）应该等于或者稍大于Vgs5+(Vgs3-Vth3),此处若忘了去看拉扎维第五章，根据饱和区电流公式，得到:

这里的推导是建立在所有MOS的Vth相等的条件下，实际，由于M4和M5的源端电压不同，由于体效应，Vth3≠Vth5，因此计算出来的稍有偏差，但是对电流精度要求不高的场合，这么用，也没啥问题。

PS:据经验证明，低压cascode的共源极和共栅极的尺寸一般不会是相同，因此，M4尺寸的大小也不是严格的M5尺寸的1/4，根据经验，Vb电压大小大于M3的栅极200-300mV就可以了，当然，也可以通过计算，按照上述步骤，计算出M4与M5的比例关系。

此方法，在allen的书上也有介绍。

（2）通过两个串联的MOS产生Vb

假设，M7和M0、M1的尺寸相同，那么M6应该是多大尺寸，M6工作在线性区而非饱和区。我们希望，M7的源端和M0的源端相等，这样，电流copy的才准确，由于M7和M0的电流相等，因此M7和M0、M1的过驱动电压是相等的。根据M7饱和区和M6线性区的电流关系，计算出M6的尺寸如下：

实际应用中，一般共栅管M0的尺寸和M1不同，两者一般W相同，共栅管的L一般取得比共源管的小很多。因此，实际应用中，经验做法就是，M0和M7的尺寸相同，M1的尺寸是M6的3倍即可。

（3）自偏置产生Vb

此种方法的有点就是，无需额外的偏置电路，节省功耗，但是弊端是，对于电流比较小的情况，电阻R的值可能会很大，导致很大的面积，尤其对于nA级的电流，R很容易达到MΩ级水平，不适用于nA级别的电路，除非对面积无要求。

此结构也是应用广泛，我在硕士毕设中的基准源就用到了此结构的电流镜，拉扎维也有介绍。

此种方法的原理是，利用电阻上的电压降来产生共栅管和共源管的栅极电压差值，正如allen书上所介绍的，电阻压降一般在一个过驱动电压VON大小，因此，经验值，一般是200-300mV的VON，R的值就是VON/Iref。

以上3种方法，切身感受，用的很多，但是，很多地方也没有像计算的那样，精确到计算出来的尺寸，不知道是不是因为对电流精度不高的原因，个人愚见，电流镜这个东西，比如说用在运放中，对电流精度要求本来也不是很高，所以也不必要钻牛角尖，非要copy的电流大小百分百精准，这个也是没必要。我在读研时候，用第一种结构最多，简单呀，很多时候也没有按照计算的尺寸来，只要保证Vb大小大于共源管栅极两三百mV，基本没啥问题，流片回来也没发现有问题。