可调式镜射比率的电流镜的制作方法

本发明是关于一种电流镜，特别是一种可调式镜射比率的电流镜。
背景技术：
：电流镜已广泛使用于模拟集成电路中。电流镜产生输出电流，此输出电流是镜射参考电流而得。本发明希望可调整输出电流与参考电流之间的镜射比率，以使输出电流具有精确的数值。技术实现要素：根据本发明的一实施例，提出一种电流镜电路。电流镜电路包括一电流源、一镜射电路、一回馈电路及一可调整元件。电流源用以产生一参考电流；镜射电路具有一第一节点及一第二节点，第一节点用以使一第一镜射电流通过，第二节点用以使一第二镜射电流通过；回馈电路耦接至镜射电路，用以使第一节点及第二节点上的电压相等；以及可调整元件耦接至镜射电路，并由回馈电路的一输出所驱动以提供一目标输出电流。根据本发明的另一实施例，提出一种用以透过一电流镜产生一目标输出电流的方法。透过电流镜产生目标输出电流的方法包括提供电流镜，电流镜包含一电流源、一镜射电路、一回馈电路及一可调整元件。电流源用以产生一参考电流；镜射电路具有一第一节点及一第二节点，第一节点用以使一第一镜射电流通过，第二节点用以使一第二镜射电流通过；回馈电路耦接至该镜射电路，用以使该第一节点及该第二节点上的电压相等；以及可调整元件耦接至该镜射电路，并由该回馈电路的一输出所驱动以提供一目标输出电流。根据本发明的进一步的一实施例，提出一种电流镜电路。电流镜电路包括一电流源、一镜射电路、一回馈电路及一输出晶体管。电流源用以产生一参考电流；镜射电路具有一第一节点及一第二节点，第一节点用以使 一第一镜射电流通过，第二节点用以使一第二镜射电流通过；回馈电路耦接至镜射电路，用以使第一节点及第二节点上的电压相等；以及输出晶体管耦接至镜射电路，并由回馈电路的一输出所驱动以提供一目标输出电流。为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明。附图说明图1绘示依照一实施例的传统电流镜电路的电路图。图2为图1的传统电流镜电路的镜射特征的计算机仿真结果。图3绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。图4为图3的电流镜电路的镜射特征的计算机仿真结果。图5绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。图6A绘示依照一实施例的图5的偏移电压与P型金属氧化物半导体晶体管的漏-源极电流之间的关系图。图6B绘示图6A所示的关系的误差。图7绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。图8为图7的电流镜电路的温度补偿特征的计算机仿真结果。图9绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。图10为图9的电流镜电路的温度补偿特征的计算机仿真结果。图11为当室温参考电流偏移时的图9的电流镜电路的温度补偿特征的计算机仿真结果。图12绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。图13为当室温参考电流偏移时的图12的电流镜电路的温度补偿特征的计算机仿真结果。图14绘示依照一实施例的电流镜电路的电路图。【符号说明】100、300、500、700、900、1200、1400：电路110、310、510、910：电流源120、130、330、340、350、360、540、550：节点210、410、610、640、810、1010、1110、1310：横坐标220、420、620、650、820、1020、1120、1320：纵坐标230、240、430、440、630、660：线312、512：镜射电路314、514：回馈电路316：输出晶体管320、520、1430：运算放大器516：可调整元件530：可调整电压源710：温度独立电压源720：温度相依电压源831、832、833、834、835、1031、1032、1033、1034、1035、1131、1132、1133、1134、1135、1331、1332、1333、1334、1335：曲线930：电压源1410：电压计数电路1420：齐纳二极管N0、N1、N2：N型金属氧化物半导体晶体管P0、P1、P2、P3、P4、P5、D1、D2：P型金属氧化物半导体晶体管R1：第一电阻R2：第二电阻VDD：供应电压IREF：参考电流IOUT：输出电流M：M因子具体实施方式本发明可通过以下实施例并配合所附图式的详细说明而更为清楚。于图式与实施方式中，相同或相似的参考标号是用以表示相同或类似的部分。图1绘示依照一实施例的传统电流镜电路100(以下称为“电路100”)的电路图。电路100包括电流源110、N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管N0至N2、及P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管P0至P5。N型金 属氧化物半导体晶体管N0包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至电流源110产生的参考电流IREF、栅极端耦接至漏极端、源极端耦接至参考电压(例如接地)。N型金属氧化物半导体晶体管N1包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至节点120、栅极端耦接至N型金属氧化物半导体晶体管N0的栅极端、源极端耦接至地面。N型金属氧化物半导体晶体管N2包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至节点130、栅极端耦接至N型金属氧化物半导体晶体管N0的栅极端、及源极端耦接至地面。P型金属氧化物半导体晶体管P0包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至供应电压VDD、栅极端耦接至节点120、漏极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P2。P型金属氧化物半导体晶体管P1包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至供应电压VDD、栅极端耦接至节点120、漏极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P3。P型金属氧化物半导体晶体管P2包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P0的漏极端、栅极端耦接至节点130、漏极端耦接至节点120。P型金属氧化物半导体晶体管P3包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P1的漏极端、栅极端耦接至节点130、漏极端耦接至节点130。P型金属氧化物半导体晶体管P4包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至供应电压VDD、栅极端耦接至节点120、漏极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P5。P型金属氧化物半导体晶体管P5包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P4的漏极端、栅极端耦接至节点130、漏极端耦接至外部电路(未绘示)以输出输出电流IOUT。在电路100中，每个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P5皆具有10微米(μm)/10微米(μm)的栅极宽长比(W/L)，及M因子皆为1。其中，M因子为一个晶体管中单位晶体管并联的个数。理想地，所有的N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P5在饱和区中工作。在饱和区中，晶体管的漏-源极电流IDS是由下列式子所决定：IDS=12μCoxMWL(VGS-VTH)2---(1)]]>其中VGS为晶体管的栅-源极电压，VTH为晶体管的门限电压(thresholdvoltage)，μ为载流子迁移率(charge-carriermobility)，Cox为单位区域的栅极氧化电容(gateoxidecapacitanceperunitarea)，M为M因子，W为栅极宽度，以及L为栅极长度。因此，当所有的N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P5在饱和区中工作时，由于N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2的栅-源极电压VGS都相同，所以N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2的漏-源极电流IDS都相同。相似地，由于P型金属氧化物半导体晶体管P0、P1及P4的栅-源极电压VGS都相同，所以P型金属氧化物半导体晶体管P0、P1及P4的漏-源极电流IDS都相同。P型金属氧化物半导体晶体管P2、P3及P5的漏-源极电流IDS分别相同于P型金属氧化物半导体晶体管P0、P1及P4的漏-源极电流IDS。因此，每一个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P5皆具有等同于参考电流IREF的漏-源极电流IDS。如此，电路100的镜射比率为1:1，也就是输出电流IOUT与参考电流IREF之间的比率为1:1。然而，当参考电流IREF小的时候(例如微安培等级或更小)，P型金属氧化物半导体晶体管P0至P4可离开饱和区及进入线性区。在线性区中，晶体管的漏-源极电流IDS是由下列式子所决定：IDs=μCoxMWLVDS(VGS-VTH-VDS2)---(2)]]>根据式(2)，在线性区中，晶体管的漏-源极电流IDS不仅和栅-源极电压VGS相关，也与漏-源极电压VDS相关。因此，P型金属氧化物半导体晶体管P0的VDS_P0与P型金属氧化物半导体晶体管P4的VDS_P4之间的差异，将导致P型金属氧化物半导体晶体管P0的IDS_P0与P型金属氧化物半导体晶体管P4的IDS_P4之间的差异。这样的差异在电路100的镜射比率中为误差。图2为电路100的镜射特征的计算机仿真结果。在图2中，横坐标210表示参考电流IREF(安培(A))，纵坐标220表示比率误差(例如镜射比率的误差与其理想情况相比)。线230是使用快-快(MOS_FF)转角模块(cornermodel)所仿真的结果，表示比率误差对应电路100的IREF。快-快转角模块 (以下称为“low-VTH偏斜转角”)假设电路100中所有P型金属氧化物半导体晶体管及N型金属氧化物半导体晶体管使用最低VTH’s所制造。线240是使用慢-慢(MOS_SS)转角模块所仿真的结果，表示比率误差对应电路100的IREF。慢-慢转角模块假设电路100中所有P型金属氧化物半导体晶体管及N型金属氧化物半导体晶体管使用最高VTH’s所制造。如图2所示，当参考电流IREF小于1.24微安培(μA)时，使用low-VTH偏斜转角模块的比率误差大于0.8％。图3绘示依照一实施例的电流镜电路300(以下称为“电路300”)的电路图。电路300包括回馈路径，使P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的漏-源极电流相等，以降低比率误差。请参考图3，电路300包括电流源310、镜射电路312、回馈电路314、及输出晶体管316。镜射电路312包括N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3，P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3的功用为电路300的镜射晶体管(mirroringtransistor)。回馈电路314包括运算放大器320。输出晶体管316包括P型金属氧化物半导体晶体管P4。N型金属氧化物半导体晶体管N0包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至电流源310产生的参考电流IREF、栅极端耦接至漏极端、源极端耦接至参考电压(例如接地)。N型金属氧化物半导体晶体管N1包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至节点330、栅极端耦接至N型金属氧化物半导体晶体管N0的栅极端、源极端耦接至地面。N型金属氧化物半导体晶体管N2包括漏极端、栅极端及源极端，其中漏极端耦接至节点340、栅极端耦接至N型金属氧化物半导体晶体管N0的栅极端、源极端耦接至地面。P型金属氧化物半导体晶体管P0包括漏极端、栅极端及源极端，其中源极端耦接至供应电压VDD、栅极端耦接至节点330、漏极端耦接至节点350。P型金属氧化物半导体晶体管P1包括漏极端、栅极端及源极端，其中源极端耦接至供应电压VDD、栅极端耦接至节点330、漏极端耦接至节点360。P型金属氧化物半导体晶体管P2包括漏极端、栅极端及源极端，其中源极端耦接至节点350、栅极端耦接至节点340、漏极端耦接至节点330。P型金属氧化物半导体晶体管P3包括漏极端、栅极端及源极端，其中源极端耦接至节点360、栅极端耦接至节点 340、漏极端耦接至节点340。P型金属氧化物半导体晶体管P4包括漏极端、栅极端及源极端，其中源极端耦接至节点360、栅极端耦接至运算放大器320、漏极端耦接至外部电路(未绘示)以输出输出电流IOUT。运算放大器320包括非反向端(符号为“+”)、反向端(符号为“-”)及输出端，其中非反向端耦接至节点360、反向端耦接至耦接至节点350、输出端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P4的栅极端。每个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P4皆具有10微米(μm)/10微米(μm)的宽长(W/L)比。P型金属氧化物半导体晶体管P1的M因子MP1为2。其他晶体管的M因子为1，例如N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0、P2至P4的M因子为1。在一些实施例中，P型金属氧化物半导体晶体管P1包括两个并联的单位晶体管元件，且每个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0、P2至P4只包括一个单位晶体管元件。在其他实施例中，P型金属氧化物半导体晶体管P1在制造时具有栅极宽度W，其栅极宽度W为其他N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0、P2至P4的栅极宽度的两倍大。运算放大器320及P型金属氧化物半导体晶体管P4组成电路300的回馈路径。具体来说，运算放大器320的非反向端接收P型金属氧化物半导体晶体管P1的漏-源极电压VDS_P1。运算放大器320的反向端接收P型金属氧化物半导体晶体管P0的漏-源极电压VDS_P0。运算放大器320产生输出电压以驱动P型金属氧化物半导体晶体管P4。输出电压与P型金属氧化物半导体晶体管P0的漏-源极电压VDS_P0与P型金属氧化物半导体晶体管P1的漏-源极电压VDS_P1之间的差异成正比。当VDS_P1>VDS_P0，输出电压等于G·(VDS_P1-VDS_P0)，其中G为运算放大器320的放大率。运算放大器320的输出电压应用至P型金属氧化物半导体晶体管P4的栅极端，藉此降低P型金属氧化物半导体晶体管P4的源极端的电压。运算放大器320的输出电压可透过VDS_P1与VDS_P0之间的差异而被调整，直到VDS_P1＝VDS_P0。因此，运算放大器320使VDS_P1及VDS_P0相等。在实施上，节点350使第一镜射电流通过，第一镜射电流为P型金属 氧化物半导体晶体管P0的漏-源极电流IDS_P0。由于晶体管N0、N1、P0及P2的M因子为1，因此第一镜射电流与参考电流IREF相同。此外，节点360使第二镜射电流通过，第二镜射电流为P型金属氧化物半导体晶体管P1的漏-源极电流IDS_P1。当参考电流IREF小的时候，P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1在线性区中工作，且MP1/MP0＝2，根据式(2)，第二镜射电流为第一镜射电流的两倍大。也就是说，IDS_P1＝2·IDS_P0＝2·IREF。由于P型金属氧化物半导体晶体管P4耦接至节点360，P型金属氧化物半导体晶体管P4所提供的输出电流IOUT与第二镜射电流相关。根据克希荷夫电流定律(Kirchhoff’scurrentlaw)，在节点360，第二镜射电流等于N型金属氧化物半导体晶体管N2的漏-源极电流IDS_N2与P型金属氧化物半导体晶体管P4漏-源极电流IDS_P4(也就是输出电流IOUT)的总和。也就是说，IDS_P1＝IDS_N2+IOUT。由于IDS_N2＝IREF,IOUT＝IDS_P1-IDS_N2＝IREF。因此，即使当P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1在线性区中工作，输出电流IOUT与参考电流IREF也会相同。图4为电路300的镜射特征的计算机仿真结果。在图4中，横坐标410表示参考电流IREF(安培(A))，纵坐标420表示比率误差。线430是使用快-快转角模块所仿真的结果，表示比率误差对应电路300的IREF。线440是使用慢-慢转角模块所仿真的结果，表示比率误差对应电路300的IREF。如图4所示，只有当参考电流IREF小于550纳安培(nA)时，使用low-VTH偏斜转角模块的比率误差大于0.8％。图5绘示依照一实施例的电流镜电路500(以下称为“电路500”)的电路图。电路500包括可调整元件，可调整元件在回馈路径内，使电路500的镜射比率可调整至目标值，且目标值不完全由金属氧化物半导体晶体管的M因子所决定。请参考图5，电路500包括电流源510、镜射电路512、回馈电路514以及可调整元件516。镜射电路512包括N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2以及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3，P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3的功用为电路500的镜射晶体管。回馈电路514包括运算放大器520。可调整元件516包括P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2及可调整电压源530。P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2的作 用为电路500的输出晶体管。电流源510、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、及运算放大器520的耦接方式类似于电路300中的电流源310、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、及运算放大器320的耦接方式。因此，耦接关系的详细描述在此不多赘述。相较于电路300，电路500包括可调整元件516位于电路300的P型金属氧化物半导体晶体管P4的位置。可调整元件516耦接至电路500的回馈路径内，以提供目标输出电流。具体来说，运算放大器520包括非反向端(符号为“+”)、反向端(符号为“-”)以及输出端，其中非反向端耦接至节点540，节点540为P型金属氧化物半导体晶体管P3的源极端、反向端耦接至节点550，节点550为P型金属氧化物半导体晶体管P0的漏极端、输出端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D2。P型金属氧化物半导体晶体管D1包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至节点540、栅极端耦接至可调整电压源530、漏极端耦接至外部电路(未绘示)以输出输出电流IOUT。P型金属氧化物半导体晶体管D2包括源极端、栅极端及漏极端，其中源极端耦接至节点540、栅极端耦接至可运算放大器520的输出端、漏极端耦接至外部电路。P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2皆由运算放大器520来驱动。可调整电压源530包括正端(符号为“+”)及负端(符号为“-”)，其中正端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管P2的栅极端、负端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端。每个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3具有10微米(μm)/10微米(μm)的宽长(W/L)比。N型金属氧化物半导体晶体管N0的M因子MN0为4。P型金属氧化物半导体晶体管P1的M因子MP1为5。P型金属氧化物半导体晶体管D1的M因子MD1为7。P型金属氧化物半导体晶体管D2的M因子MD2为4。其他晶体管的M因子为1，也就是N型金属氧化物半导体晶体管N1及N2、以及P型金属氧化物半导体晶体管P0、P2及P3的M因子为1。在实施上，节点550使第一镜射电流通过，第一镜射电流为P型金属氧化物半导体晶体管P0的漏-源极电流IDS_P0，且IDS_P0＝IREF/4。节点540使第二镜射电流通过，第二镜射电流为P型金属氧化物半导体晶体管P1 的漏-源极电流IDS_P1，且IDS_P1＝5·IREF/4。根据克希荷夫电流定律，在节点540，第二镜射电流等于N型金属氧化物半导体晶体管N2的漏-源极电流IDS_N2、P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流IDS_D1(也就是输出电流IOUT)、以及P型金属氧化物半导体晶体管D2的漏-源极电流IDS_D2的总和。也就是说，IDS_P1＝IDS_N2+IDS_D1+IDS_D2。因为，IDS_N2＝IREF/4,IDS_D1+IDS_D2＝IDS_P1-IDS_N2＝5·IREF/4-IREF/4＝IREF。可调整电压源530产生偏移电压VOS，偏移电压VOS应用在P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅-源极电压VGS_D2与P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅-源极电压VGS_D1之间。偏移电压VOS可被调整以得到目标输出电流Itarget。偏移电压VOS与目标输出电流Itarget之间的关系可由以下得到。首先，假设P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2在饱和区中工作。因此，根据式(1)，每个P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2，VGS=VTH+2IDS/β---(3)]]>其中β=μCoxMWL.]]>偏移电压VOS在P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅-源极电压VGS_D1与P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅-源极电压VGS_D2之间建立差异。因此，偏移电压VOS可以下列表示，VOS=VGS_D1-VGS_D2=2/(CoxW/L)·μ-1/2·(IDS_D1/MD1-IDS_D2/MD2)---(4)]]>为了使输出电流(也就是P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅-源极电流IDS_D1)等于Itarget，IDS_D1应等于Itarget。由于IDS_D2＝IREF-IDS_D1，IDS_D2＝IREF-Itarget。如此，式(4)可被转换成，VOS=2/(CoxW/L)·μ-1/2·(Itarget/MD1-(IREF-Iterget)/MD2)---(5)]]>因此，根据式(5)，通过调整VOS，电路500可产生目标输出电流Itarget。举例来说，当IREF＝12.6微安培(μA)，通过如上所述的可调整元件516的配置，VOS可被调整以使输出电流IOUT＝Itarget＝10微安培(μA)。因此，通过调整偏移电压VOS，可达成想要的镜射比率。在电路500中，P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2的M因子不分别限制为7及4，且根据电路500的应用，其可为任何整数。当P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2的M因子改变时，偏移电压VOS也必须 对应调整。在电路500中，可调整电压源530的极性(也就是可调整电压源530的正端及负端在电路500中的耦接关系)可基于参考电流IREF、目标输出电流Itarget、及P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2的M因子而被决定。如果则可调整电压源530的正端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅极端，以及可调整电压源530的负端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端，如图5所示。另一方面，如果则可调整电压源530的极性是相反的。也就是说，可调整电压源530的正端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端，以及可调整电压源530的负端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅极端。如果则输出电流IDS_D1即为目标输出电流Itarget。在此实施例中，即由可调整电压源530所产生的偏移电压VOS为0。因此，可调整电压源530的极性可由上述两种方式其中之一来配置。图6A绘示依照一实施例的偏移电压VOS与P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流IDS_D1之间的关系图。在图6A中，横坐标610表示偏移电压VOS(毫伏特(mV))，以及纵坐标620表示P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流IDS_D1(微安培(μA))。线630表示偏移电压VOS与P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流IDS_D1之间的关系，其是由一阶线性近似(first-orderlinearapproximation)所获得。图6B绘示依照一实施例的偏移电压VOS与P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流IDS_D1之间的关系的一阶线性近似的误差。在图6B中，横坐标640表示偏移电压VOS(毫伏特(mV))，以及纵坐标650表示由一阶线性近似所获得的漏-源极电流IDS_D1的误差(纳安培(nA))。线660表示偏移电压VOS与由一阶线性近似所获得的P型金属氧化物半导体晶体管D1的漏-源极电流 IDS_D1的误差之间的关系。图7绘示依照一实施例的电流镜电路700(以下称为“电路700”)的电路图。电路700包括温度相依电压源(temperaturedependentvoltagesource)，以使电路700的输出电流IOUT为温度独立(temperatureindependent)。也就是说，输出电流IOUT不随着电路700的操作温度(也就是当电路700操作时的温度)而改变。请参考图7，电路700包括电流源510、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、及运算放大器520，以上的元件类似于电路500。不同于电路500的是，电路700包括温度独立电压源710及温度相依电压源720，温度独立电压源710及温度相依电压源720位于P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2之间。温度独立电压源710产生室温偏移电压，室温偏移电压在室温下为可调整的，以获得目标输出电流。温度相依电压源720产生温度相依电压，温度相依电压用以补偿输出电流的变化，其输出电流变化是由于室温与电路700操作温度之间的变化所造成。在电路700中，电流源510为温度独立源。也就是说，电流源510所产生的IREF不会随着电路700的操作温度而改变。然而，电路700的晶体管的一些装置参数，例如门限电压VTH及载流子迁移率μ，可能随着操作温度而改变。在缺少温度相依电压源720的情况，即使在室温下输出电流IOUT到达目标值，当操作温度自室温偏移时，输出电流IOUT可能也会从目标值偏移。为了保持IOUT温度独立，温度相依电压源720产生温度相依电压以补偿因为温度变化所造成的晶体管的制成参数的改变。室温偏移电压、温度相依电压、及操作温度T之间的关系，可由下列得出。首先，载流子迁移率μ为温度相依，其可表示为，μ＝μ0·(T/T0)-α(6)其中T0为室温，μ0为当操作温度为室温T0的载流子迁移率，μ为操作温度T的载流子迁移率，以及α为本发明的金属氧化物半导体晶体管的载流子迁移率μ的迁移率温度指数。载流子迁移率μ可使用一阶泰勒展开式(first-orderTaylorexpansion)估计，μ＝μ0·(T/T0)-α＝μ0·(1+ΔT/T0)-αμ-1/2＝μ0-1/2·(1+ΔT/T0)α/2≈μ0-1/2·[1+(α/2T0)·ΔT](7)其中ΔT＝T-T0。当结合式(4)及式(7)可得到，VOS=2/(CoxW/L)·μ0-1/2·[1+(α/2T0)·ΔT]·(IDS_D1/MD1-IDS_D2/MD2)---(8)]]>其中VOS为偏移电压，其是结合温度独立电压源710及温度相依电压源720所产生。假设P型金属氧化物半导体晶体管D1的目标漏-源极电流(也就是电路700的目标输出电流)在室温下为I10，以及P型金属氧化物半导体晶体管D2的目标漏-源极电流在室温下为I20。也就是说，在室温下，IDS_D1＝I10且IDS_D2＝I20。使得且接着，式(8)可由下表示，VOS=2/(CoxW/L)·μ0-1/2·[1+(α/2T0)·ΔT]·(B1-B2)---(9)]]>偏移电压VOS可由室温偏移电压VOS0及温度系数TC表示，如下VOS＝VOS0·(1+TC·ΔT)(10)其中VOS0为温度独立电压源710所产生的室温偏移电压，VOS0·TC·ΔT为度相依电压源720所产生的温度相依电压，以及TC为偏移电压VOS的温度系数。比较式(9)及式(10)，室温偏移电压VOS0及温度系数TC可下列式子表示，VOSO=2/(CoxW/L)·μ0-1/2·(B1-B2)---(11)]]>TC＝α/2T0(12)根据式(11)，已知参考电流IREF，根据式(11)可决定室温偏移电压VOS0以得到室温下的已知目标输出电流I10。也就是说，根据目标输出电流I10、参考电流IREF、单位区域的栅极氧化电容Cox、宽常比(W/L)、以及室温载流子迁移率μ0，可决定室温偏移电压VOS0。在一实施例中，当决定室温偏移电压VOS0时，假设Cox及μ0不随着装置制成而改变，也就是，Cox及 μ0都是一致的，不会因为不同的工艺转角(processcorners)而改变，例如典型-典型转角(MOS_TTcorner)，其所有的N型金属氧化物半导体晶体管及P型金属氧化物半导体晶体管具有典型VTH’s，典型VTH’s在最高VTH’s及最低的VTH’s之间、快-快转角(MOS_FFcorner)，其所有的N型金属氧化物半导体晶体管及P型金属氧化物半导体晶体管具有最低的VTH’s、慢-慢转角(MOS_SScorner)，其所有的N型金属氧化物半导体晶体管及P型金属氧化物半导体晶体管具有最高的VTH’s、快-慢转角(MOS_FScorner)，所有的N型金属氧化物半导体晶体管具有最低的VTH’s，及所有P型金属氧化物半导体晶体管具有最高的VTH’s、以及慢-快转角(MOS_SFcorner)，所有的N型金属氧化物半导体晶体管具有最高的VTH’s，及所有P型金属氧化物半导体晶体管具有最低的VTH’s。一旦室温偏移电压VOS0决定后，室温偏移电压VOS0-就会是固定的且不会随着电路700的操作期间的温度变化而改变。此外，根据式(12)，由于温度系数TC不相关于温度变化，VOS0·TC也不会随着温度改变。因此，在电路700的操作期间，偏移电压VOS＝VOS0+VOS0·TCΔT中，唯一的变量为温度差异ΔT，其ΔT在操作温度T与室温T0之间。因此，偏移电压VOS会随着温度差异ΔT而改变，其可用来补偿因为温度变化所造成的晶体管的工艺参数的改变。图8为电路700的温度补偿特征的计算机仿真结果。在图8中，横坐标810表示操作温度T(℃)，以及纵坐标820表示实际输出电流IOUT与目标输出电流I10之间的输出电流误差Ierror(纳安培(nA))。曲线831表示输出电流误差Ierror对应操作温度(以下称为“温度补偿误差”)，是使用慢-慢(MOS_SS)转角模型所仿真的结果，其假设电路700中所有的P型金属氧化物半导体晶体管及N型金属氧化物半导体晶体管具有最高VTH’s。曲线832表示温度补偿误差，是使用快-慢(MOS_FS)转角模型所仿真的结果，其假设所有的N型金属氧化物半导体晶体管具有最低VTH’s及P型金属氧化物半导体晶体管具有最高VTH’s。曲线833表示温度补偿误差，是使用典型-典型(MOS_TT)转角模型所仿真的结果，其假设所有的N型金属氧化物半导体晶体管及P型金属氧化物半导体晶体管具有典型VTH’s，其中典型VTH’s在最高VTH’s与最低VTH’s之间。曲线834表示温度补偿误差，是使用慢-快(MOS_SF)转角模型所仿真的结果，其假设所有的N型金属氧化 物半导体晶体管具有最高VTH’s，及所有的P型金属氧化物半导体晶体管具有最低VTH’s。曲线835表示温度补偿误差，是使用快-快(MOS_FF)转角模型所仿真的结果，其假设所有的N型金属氧化物半导体晶体管及P型金属氧化物半导体晶体管具有最低VTH’s。在模拟以产生如图8所示的结果的期间，IREF被设定为12.6微安培(μA)，以及根据式(11)决定VOS0以在T0时满足Iout＝I10＝10uA，T0为在每个工艺转角的温度仿真范围的中间温度点。此外，温度相依电压VOS0·TC·ΔT假设为不可被调整。当要决定快-快转角、慢-慢转角、快-慢转角、及慢-快转角时，在典型-典型转角模型的参数Cox及μ被用来当作这些转角的Cox及μ。然而，以这样的方式决定的温度相依电压VOS0·TC·ΔT不会追踪P型金属氧化物半导体晶体管及N型金属氧化物半导体晶体管的工艺变数。也就是说，装置参数例如Cox及μ随着装置制造程序而改变，且在不同转角工艺也不相同，例如快-快转角、慢-慢转角、快-慢转角、及慢-快转角。在这些工艺转角中，Cox及μ的差异可能造成温度补偿误差的变化。因此，如图8所示，曲线831至835表示在不同的工艺转角中的温度补偿误差都不同。举例来说，当操作温度为120℃时，快-快转角模型所产生的温度补偿误差几乎是其他转角模型所产生的温度补偿误差的两倍。以其他的例子来看，当操作温度为-40℃时，慢-慢转角模型所产生的温度补偿误差则高于其他转角模型所产生的温度补偿误差。在模拟产生如图8所示的结果的期间，Cox及μ皆会随着不同的工艺转角而改变。然而本发明并不限于此。如果Cox随着不同的工艺转角而改变，而μ不会随着不同的工艺转角而改变，则基于典型-典型转角模型所决定的温度相依电压VOS0·TC·ΔT仍然不会追踪工艺变数。因此，温度补偿误差在这些工艺转角都不同。图9绘示依照一实施例的电流镜电路900(以下称为“电路900”)的电路图。电路900包括温度相依电压源，以补偿温度变异。请参考图9，电路900包括电流源910、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、运算放大器520及电压源930。电路900的电流源910、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、 运算放大器520及电压源930的耦接方式类似于电路500的元件。每个N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2以及P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1及D2具有10微米(μm)/10微米(μm)的宽长(W/L)比。N型金属氧化物半导体晶体管N0的M因子MN0为4。P型金属氧化物半导体晶体管P1的M因子MP1为5。P型金属氧化物半导体晶体管D1的M因子MD1为7。P型金属氧化物半导体晶体管D2的M因子MD2为4。其他晶体管的M因子为1，也就是N型金属氧化物半导体晶体管N1及N2、以及P型金属氧化物半导体晶体管P0、P2及P3的M因子为1。在电路900中，电流源910为温度相依电流源，其产生的参考电流IREF会随着操作温度T的变化而改变。电压源930为温度独立电压源，其所产生的偏移电压VOS不会随着操作温度T的变化而改变。为了保持IOUT温度独立，电流源910被配置用来提供参考电流IREF以补偿由于温度变化所产生晶体管的工艺参数改变，其中参考电流IREF可基于操作温度T而调整。参考电流IREF与操作温度T可由下列式子得出。首先，假设温度相依参考电流IREF可表示为，IREF＝I0[1+ΔT·TC](13)其中I0为在室温T0的参考电流，I0·ΔT·TC为参考电流I0的温度相依部分，ΔT＝T-T0及TC为参考电流IREF的温度系数。在室温下，IDS_D1＝I10，IDS_D2＝I20，及IREF＝IDS_D1+IDS_D2＝I10+I20。因此，IDS_D2可表示为，IDS_D2＝IREF-I10＝I0[1+ΔT·TC]-I10(14)＝I0-I10+I0ΔT·TC＝I20+I0ΔT·TC结合式(4)及式(14)，偏移电压VOS可表示为，VOS=VGS_D1-VGS_D2=2/(CoxW/L)·μ-1/2·[IDS_D1/MD1-IDS_D2/MD2]=2/(CoxW/L)·μ-1/2·[I10/MD1-(IREF-I10=)/MD2]=2/(CoxW/L)·μ-1/2·[I10/MD1-(I20+I0·TC·ΔT)/MD2]=2/(CoxW/L)·μ-1/2·[I10/MD1-I20/MD21+(I0·TC·ΔT)/I20]≅2/(CoxW/L)·μ-1/2·[I10/MD1-I20/MD2(1+(I0·TC·ΔT)/(2·I20))]=2/(CoxW/L)·μ-1/2·[B1-B2(1+(I0·ΔT·TC)/(2·I20))]2/(CoxW/L)·μ-1/2·[(B1-B2)-(B2I0/2·I20)·ΔT·TC]---(15)]]>其中B1=I10/MD1,]]>且B2=I20/MD2.]]>结合式(7)及式(15)，偏移电压VOS可表示为，VOS≈2/(CoxW/L)·μ0-1/2·[1+(α/2T0)·ΔT]·[(B1-B2)-(B2I0/2·I20)·ΔT·TC]=2/(CoxW/L)·μ0-1/2·(B1-B2)[1+(α/2T0)·ΔT]·[1-(B2I0/2·I20·(B1-B2))·ΔT·TC]---(16)]]>为了呈现偏移电压VOS温度独立，式(16)中与一阶ΔT有关的式子必须消去。为了消去式(16)中与一阶ΔT有关的式子，温度系数TC可设为，TC=(B1-B2)·I20B2·I0·αT0---(17)]]>因此，偏移电压VOS可表示为，VOS=2/(Cox/W/L)·μ0-1/2·(B1-B2)---(18)]]>因此，在电路900中，根据式(13)及式(17)可决定参考电流IREF，且根据式(18)可决定偏移电压VOS。如式(13)及式(17)所见，IREF包括温度独立电流I0及温度相依I0·ΔT·TC电流，其中温度独立电流I0用以在室温下产生目标输出电流，温度相依I0·ΔT·TC电流用以补偿温度。类似于图7的电路700，电流源910可由温度独立电流源及温度相依电流源来实现。在室温T0下，温度独立电流源产生参考电流I0。温度相依电流源产生温度相依电流I0·ΔT·TC。图10为电路900的温度补偿特征的计算机仿真结果。在图10中，横坐标1010表示操作温度T(℃)，以及纵坐标1020表示实际输出电流IOUT与目标输出电流I10之间的输出电流误差Ierror(纳安培(nA))。曲线1031表示温度补偿误差，其是使用快-快(MOS_FF)转角模型所仿真的结果。曲线 1032表示温度补偿误差，其是使用快-慢(MOS_FS)转角模型所仿真的结果。曲线1033表示温度补偿误差，其是使用典型-典型(MOS_TT)转角模型所仿真的结果。曲线1034表示温度补偿误差，是使用慢-快(MOS_SF)转角模型所仿真的结果。曲线1035表示温度补偿误差，是使用慢-慢(MOS_SS)转角模型所仿真的结果。在模拟产生如图10所示的结果的期间，室温参考电流I0被设为12.6微安培(uA)，以及根据式(18)决定偏移电压VOS以在每个工艺转角的温度仿真范围的中间温度点满足Iout＝I10＝10uA。此外，假设温度相依电压I0·ΔT·TC为不可被调整。根据式(17)，IREF的温度系数TC与Cox及μ不相关，只与已知参数例如B1、B2、I0、I20、T0及α相关。也就是说，IREF的温度相依部分I0·ΔT·TC较不受工艺变量影响。因此，如图10，温度补偿误差不会随着不同的工艺转角而改变(如图8所示)。如此，电路900包括温度相依电流源910，可减少温度补偿误差在不同工艺转角的变化。图11为当室温参考电流I0偏移至I0’＝90％·I0时的电路900的温度补偿特征的计算机仿真结果。在图11中，横坐标1110表示操作温度T(℃)，以及纵坐标1120表示输出电流误差Ierror＝IOUT-I10(纳安培(nA))，其中I10为10微安培(μA)，且IOUT是根据IREF基于式(13)及式(17)所决定。其中式(17)的TC根据原始I0＝12.6μA所决定，但式(13)的I0则为I0’＝90％·I0。曲线1131表示温度补偿误差，其是使用快-快(MOS_FF)转角模型所仿真的结果。曲线1132表示温度补偿误差，其是使用快-慢(MOS_FS)转角模型所仿真的结果。曲线1133表示温度补偿误差，其是使用典型-典型(MOS_TT)转角模型所仿真的结果。曲线1134表示温度补偿误差，是使用慢-快(MOS_SF)转角模型所仿真的结果。曲线1135表示温度补偿误差，是使用慢-慢(MOS_SS)转角模型所仿真的结果。当I0＝12.6uA偏移至I0’＝90％·I0＝11.3uA时，I0’大于目标输出电流I10＝10μA。虽然VOS的极性及式(17)及式(18)里I10及B1值均维持不变。然而I20’已由2.6uA变为1.3uA造成对应的B2’值变小。将I20’与B2’代入式(17)及式(18)可得到对应I0’的VOS,]]>=2/(CoxW/L)·μ0-1/2·(B1-B2′)]]>与TC,=(B1-B2′)·I20′B2′·I0′·αT0.]]>然而VOS’与TC’都大于对应I0的VOS与TC。这现象解释图11所示的输出电流误差Ierror从-40℃到40℃温度区间范围内是一负温度相依特性。并且在125℃对应五个工艺转角的输出电流误差Ierror发散至最大。图12绘示依照一实施例的电流镜电路1200(以下称为“电路1200”)的电路图。电路1200包括P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1，其金属氧化物半导体晶体管P0及P1具调整的M因子以补偿偏移的I0。请参考图12，电路1200包括电流源910、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、运算放大器520及电压源930，其元件类似于电路900的元件。不同于电路900的是，P型金属氧化物半导体晶体管P0的M因子MP0为3、以及P型金属氧化物半导体晶体管P1的M因子MP1为16。电路1200被应用在室温参考电流I0偏移至I0’＝90％·I0的情况中。如前所描述，当I0偏移至I0’＝90％·I0时，IREF的温度相依部分也会根据90％的因子偏移。这将会导致不同工艺转角的温度补偿误差，特别是在高温区。然而，在电路1200中，MP1/MP0的比率被调整至5/1而不是16/3，以至于偏移电流I0’被放大1.083(＝(16/3-1)/4)倍。因此，1.083I0’等于97.49％(＝1.083×0.9)的原始I0。在电路1200中，P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的M因子分别为3及16。然而，本发明并不限于此，P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的M因子可根据室温参考电流I0而被决定。举例来说，为了调整P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的M因子，电路1200可包括金属氧化物半导体开关(未绘示)，连接至每个P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1。当侦测到I0的偏移时，金属氧化物半导体开关可根据I0的偏移调整P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的M因子。图13为当室温参考电流I0偏移至I0’＝90％·I0时的电路1200的温度补偿特征的计算机仿真结果。在图13中，横坐标1310表示操作温度T(℃)，以及纵坐标1320表示输出电流误差Ierror＝IOUT-I10(纳安培(nA))，其中I10 为10微安培(μA)，且IOUT是根据IREF基于式(13)及式(17)所决定。其中式(17)的TC根据原始I0＝12.6μA所决定，但式(13)的I0则为I0’＝90％·I0。曲线1331表示温度补偿误差，其是使用快-快(MOS_FF)转角模型所仿真的结果。曲线1332表示温度补偿误差，其是使用快-慢(MOS_FS)转角模型所仿真的结果。曲线1333表示温度补偿误差，其是使用典型-典型(MOS_TT)转角模型所仿真的结果。曲线1334表示温度补偿误差，是使用慢-快(MOS_SF)转角模型所仿真的结果。曲线1335表示温度补偿误差，是使用慢-慢(MOS_SS)转角模型所仿真的结果。如前所描述，在电路1200中，由于P型金属氧化物半导体晶体管P0及P1的M因子被调整放大至偏移的I0’，故即使当I0偏移，输出电流IOUT也会保持在I10。因此，图13的曲线1331至1335类似于图10的曲线1031至1035。也就是说相较于图11，图13的五个工艺转角于-40℃及于125℃的温度补偿误差在数值上较为接近。例如于-40℃及于125℃的最大温度补偿差异，由图11的97.82纳安培降低至图13的36.22纳安培。图14绘示依照一实施例的电流镜电路1400(以下称为“电路1400”)的电路图。电路1400包括电压计数电路，以实现电路500的电压源530。请参考图14，电路1400包括电流源510、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、运算放大器520及电压计数电路1410。电流源510、N型金属氧化物半导体晶体管N0至N2、P型金属氧化物半导体晶体管P0至P3、D1以及D2、运算放大器520类似于图5的电路500的类似元件。电压计数电路1410连接至P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅极端与P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端之间。电压计数电路1410包括齐纳二极管1420、第一电阻R1、第二电阻R2、及运算放大器1430。齐纳二极管1420包括第一端及第二端，其中第一端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅极端，第二端耦接至第一电阻R1。第一电阻R1包括第一端及第二端，其中第一端耦接至齐纳二极管1420的第二端，第二端耦接至第二电阻R2。第二电阻R2为可调整电阻，且包括第一端及第二端，其中第一端耦接至第一电阻R1、第二端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端。运算放大器1430包括非反向端(符号为“+”)、反 向端(符号为“-”)及输出端，其中非反向端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D2的栅极端、反向端耦接至第一电阻R1的第二端、输出端耦接至P型金属氧化物半导体晶体管D1的栅极端。电压计数电路1410的功用为可调整电压源，其产生偏移电压VOS，应用于P型金属氧化物半导体晶体管D1及D2之间。偏移电压VOS可由下列表示，VOS=-R2R1VZ]]>其中R1为第一电阻R1的阻抗、R2为第二电阻R2的阻抗、及VZ为齐纳二极管1420的崩溃电压。由于第二电阻R2为可调整电阻，因此可透过调整第二电阻R2的阻抗来调整VOS。举例来说，VOS可根据式(5)而被调整，以至于电路1400的输出电流IOUT可为目标值Itarget。电路300、500、700、900、1200及1400为金属氧化物半导体电路。然而，本发明并不限于金属氧化物半导体电路，可应用至场效晶体管(FET)电路、双极结晶体管(BJT)电路、双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)电路。本发明实施例所揭露的电流镜可应用至精确来源电流的电路系统，例如弛缓振荡器电路及电流比较仪等。综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属
技术领域：
中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。本发明的保护范围并不因为实施例的描述而有所限制，当视随附的权利要求范围所界定的为准。当前第1页1 2 3