电流镜、电流复制方法及电子设备与流程

本发明涉及电路设计的技术领域，具体涉及一种电流镜、电流复制方法及电子设备。

背景技术：

电流镜是一种常用的电流复制器件，广泛应用于集成电路中。电流镜通过其电流输入端接收输入电流，并通过其电流输出端输出输出电流，输出电流为对输入电流进行复制而得到的电流。

图1示出现有技术中电流镜的电路结构示意图。参照图1，该电流镜包括：第一晶体管100和第二晶体管200，其中，第一晶体管100和第二晶体管200均为阈值电压相等的n型mosfet；以及，第一晶体管100的漏极分别与电流输入端以及第一晶体管100的栅极连接，第一晶体管100的源极接地；第二晶体管200的栅极和第一晶体管100的栅极连接，第二晶体管200的源极接地，第二晶体管200的漏极和电流输出端连接。该电路实现电流复制是基于如下原理：饱和状态下晶体管的漏源电流id与栅源电压vgs的关系为id＝β·(vgs-vth)²/2，其中，β＝μ·cox·a/b，μ是电子或空穴迁移率，cox表示单位面积的栅氧化层电容，a/b为晶体管的宽长比，vth为阈值电压。

对于(a2/b2)/(a1/b1)＝w的情况，上述电路输出电流iout在理论上应该为输入电流iin的w倍(以下称输出电流iout的理论值为参考电流iref，且参考电流iref＝w·iin)，其中，a2/b2为第二晶体管200的宽长比，a1/b1为第一晶体管100的宽长比。然而，考虑到芯片制造过程中的误匹配(mis-match)因素，通常的电流镜即使克服由漏源电压不同带来的沟道调制效应，其输出电流iout也会有相对于参考电流iref的±10％左右偏差，该偏差在需要精确复制电流的情形中往往无法忽视。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种电流镜、电流复制方法及电子设备，能够减小误匹配对输出电流的不良影响，使得输出电流较精准地按预设比例系数复制输入电流。

根据本发明的第一方面，提供了一种电流镜，包括：第一晶体管，所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的漏极分别与所述第一晶体管的栅极以及电流输入端连接；

多个第二晶体管，所述第二晶体管的栅极和所述第一晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的源极接地，多个所述第二晶体管的漏极通过同一连接节点连接到电流输出端，以及，各个所述第二晶体管的漏极和所述连接节点之间皆配设有选择开关；

控制支路，用于在不同时刻依次控制等量但不重复的所述选择开关导通，以使得所述电流输出端输出所述连接节点上不同时刻电流的平均值；

其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为阈值电压相等的第一类型晶体管或均为阈值电压相等的第二类型晶体管，多个所述第二晶体管的宽长比与所述第一晶体管的宽长比大致等于所述电流镜的预设电流比，所述第一类型与所述第二类型相反。

可选地，所述第一类型晶体管为p型mosfet，或者，所述第一类型晶体管为n型mosfet。

可选地，多个所述第二晶体管的宽长比彼此相同。

可选地，多个所述第二晶体管的宽度和长度各不相同。

可选地，多个所述第二晶体管的宽长比彼此不同且差异小于预定值。

可选地，所述电流镜向工作于预定周期的用电设备供电，所述控制支路包括：

生成器，用于产生周期性的选通信号；

选通器，和所述生成器以及多个所述选择开关连接，用于根据所述选通信号在每个选通周期依次选通多个所述选择开关，

其中，所述选通周期小于所述预定周期。

可选地，所述电流镜的输出电流为所述选通周期的平均电流。

可选地，所述生成器包括以下任意一种：计时器、计数器、随机数生成器。

根据本发明的第二方面，提供了一种电流复制方法，包括：

通过第一晶体管接收输入电流；

通过多个第二晶体管对所述输入电流进行复制，得到多个镜像电流；

在不同时刻依次控制等量但不重复的所述第二晶体管的电流输出支路导通，以使得电流输出端输出连接节点上不同时刻电流的平均值，

其中，多个所述第二晶体管的电流输出支路通过所述连接节点连接到所述电流输出端。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括用电设备和第一方面所述的电流镜，其中，所述用电设备和所述电流镜的电流输出端连接，以通过所述电流镜对所述用电设备提供电能。

本发明的有益效果是：

各个第二晶体管和第一晶体管相结合组成一个子电流镜，各子电流镜得到的镜像电流相对于参考电流(参考电流与输入电流的比值等于预设电流比)的偏差出现正负值，因而，连接节点上不同时刻电流的平均值会因正偏差和负偏差的抵消作用而更接近于标准电流(标准电流与参考电流的比值等于同时选通的开关数量)，这减小了误匹配对输出电流的不良影响，达到了使输出电流较精准地按预设比例系数复制输入电流的技术效果。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有技术中电流镜的电路结构示意图；

图2示出本发明中电流镜的电路结构示意图；

图3示出对应于现有技术中电流镜电路的一个仿真结果；

图4示出对应于本发明实施例中电流镜的一个仿真结果；

图5示出本发明中控制支路对多个开关的一种控制示意图；

图6示出本发明中电流复制方法的一种流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图2示出本发明中电流镜的电路结构示意图。参照图2，该电流镜包括：

第一晶体管100(第一晶体管100亦记为m0)，第一晶体管100的源极接地，第一晶体管100的漏极分别与第一晶体管100的栅极以及电流输入端连接；

n个第二晶体管200(第i个第二晶体管200记为m1_i，i＝0，1，…，n-1，其中，n为大于1的整数，且以下描述中如无特别说明n皆采用此释义)，第二晶体管200的栅极和第一晶体管100的栅极连接，第二晶体管200的源极接地，多个第二晶体管200的漏极通过同一连接节点q连接到电流输出端，以及，各个第二晶体管200的漏极和连接节点q之间皆配设有选择开关s(第二晶体管m1_i的漏极和连接节点q之间配设有选择开关si)；

控制支路300，用于在不同时刻依次控制等量但不重复的选择开关s导通，以使得电流输出端输出连接节点q上不同时刻电流的平均值；

其中，第一晶体管100和第二晶体管200均为阈值电压相等的第一类型晶体管或均为阈值电压相等的第二类型晶体管，多个第二晶体管200的宽长比与第一晶体管100的宽长比大致等于电流镜的预设电流比w(以下描述中如无特别说明则w皆采用此释义)，上述第一类型与第二类型相反。

上述第一类型晶体管具体可以为p型mosfet或n型mosfet。

上述控制支路的具体控制过程可以释义为：控制支路300在第一时刻t1进行第二晶体管200的第一次选通且选通了m1个第二晶体管200(亦称第一组输出支路)，在第二时刻t2进行第二晶体管200的第二次选通且选通了m2个第二晶体管200(亦称第二组输出支路)，…，在第k(k为在时间上进行平均处理的目标电流的数量且以下描述中如无特别说明皆采用此释义)时刻tk进行第二晶体管200的第k次选通且选通了mk个第二晶体管200(亦称第k组输出支路)，其中，m1＝m2＝…＝mk；第一组输出支路、第二组输出支路、…、第k组输出支路中至少有两组输出支路不完全相同；以及，(tj+1-tj)足够小使得电流输出端整体上以k个稍有波动的目标电流的时间平均值向用电设备输送电能，这里j＝1，2，…，k-1。

上述时间平均值，即为多个目标电流进行时间上的平均处理后所得到的数值，具体地，若记t0为初始时刻，tf为第f时刻，if'为第f时刻的选通操作所对应目标电流，则k个目标电流的时间平均值ī为：

应当理解的是，由于同时选通的多个第二晶体管200的漏极并接于连接节点q，因而，若各次选通是同时选通m(以下描述中如无特别说明则m皆采用此释义)个第二晶体管200，则目标电流为同时选通的m个第二晶体管200上镜像电流ii之和，在各镜像电流ii等于参考电流iref的情况下则目标电流i′＝m·iref。然而，镜像电流ii相对于iref存在±10％左右偏差，因而，目标电流i′也是或大于标准电流m·iref或小于标准电流m·iref，从而，在目标电流i′存在多个的情况下多个目标电流i′进行时间上的平均处理则能够使得相对于m·iref的正偏差和负偏差进行抵消，从而使得电流镜的输出电流iout比单个目标电流i′更接近标准电流m·iref。

图3所示为iin＝1ua，w＝1，n＝1，m＝1的情况下对iout的1000次蒙特卡洛(montecarol)仿真结果，即为对应于现有技术中电流镜电路的一个仿真结果，其中，横轴表示iout的取值，纵轴表示iout的数量，横轴和纵轴上的坐标值皆均匀分布，而各矩形块的纵坐标表示在iout取值落在该矩形块被横坐标所限定范围内的iout数量。通过该仿真结果计算得出：iout的加和平均值为1ua，标准误差sigma＝35.6na，则3sigma＝106.8na，即该电流镜3-sigma分布范围为(1u-106.8na，1u+106.8na)，从百分比上相当于(1-10％，1+10％)·1ua。

图4所示为iin＝1ua，w＝1，n＝8，m＝1的情况下对iout的1000次蒙特卡洛(montecarol)仿真结果，即为对应于本发明实施例中电流镜的一个仿真结果，且图4所仿真电路和图3所仿真电路只有第二晶体管200的数量n不同。同样，图4中，横轴表示iout的取值，纵轴表示iout的数量，横轴和纵轴上的坐标值皆均匀分布，而各矩形块的纵坐标表示在iout取值落在该矩形块被横坐标所限定范围内的iout数量。通过该仿真结果计算得出：iout的加和平均值为1ua，标准误差sigma＝4na。

结合图3和图4，可见：与现有技术中的电流镜相比，本发明实施例所提供的电流镜通过电路结构的改进使得输出电流iout的sigma缩小到1/8，即，电流输出端更大概率上以与标准电流较小的偏差输出输出电流iout。

本发明实施例所提供的电流镜，减小了误匹配对输出电流iout的不良影响，达到了使输出电流iout较精准地按预设比例系数w复制输入电流iin的技术效果。

多个第二晶体管200的宽长比与第一晶体管100的宽长比大致等于电流镜的预设电流比w，具体可以有如下两种待选择方案：

(1)多个第二晶体管200的宽长比彼此相同

具体地，多个第二晶体管200可以是宽度相等且长度也相等多个第二晶体管200还可以是宽度各不相同且长度也各不相同。

对于多个第二晶体管200宽度相等且长度也相等的情况，可以采用如下示例：

第二晶体管m1_i的宽a2皆为第一长度a0(a2＝a0)，第二晶体管m1_i的长b2皆为第二长度b0(b2＝b0)，其中，第一长度a0和第二长度b0的比值为目标比值sc0，目标比值sc0与第一晶体管的宽长比sc1的比值等于预设比例系数w。这样，基于饱和状态下晶体管的漏源电流id与栅源电压vgs的关系，则多个第二晶体管200依靠芯片制造过程中的误匹配来输出概率上相等的正偏差镜像电流ii和负偏差镜像电流ii，以便通过多个目标电流的时间上平均处理而提高电流复制精度。

(2)多个第二晶体管200的宽长比彼此不同且差异小于预定值

具体地，可以是多个第二晶体管m1_i的宽a2不完全相同，和/或，多个第二晶体管m1_i的长b2不完全相同，其中，各个第二晶体管m1_i的宽a2与第一长度a0的差的绝对值小于第一阈值；各个第二晶体管m1_i的长b2与第二长度b0的差的绝对值小于第二阈值，最终多个第二晶体管200的宽长比彼此不同且差异小于预定值但各第二晶体管200与第一晶体管100的宽长比大致等于电流镜的预设电流比w，其中，第一长度a0和第二长度b0的比值为目标比值sc0，目标比值sc0与第一晶体管的宽长比sc1的比值等于预设比例系数w。

需要说明的是，第一阈值可以根据和第一长度a0的百分比来确定，同样，第二阈值也可以根据和第二长度b0的百分比来确定；进一步，第一阈值可以依据百分比来限定第二晶体管m1_i的宽a2相对于第一长度a0进行微调，而第二阈值同样可以依据百分比来限定第二晶体管m1_i的长b2相对于第二长度b0进行微调。

例如，第一长度a0为2um，第一阈值需为第一长度a0的3％，则第一阈值等于60nm；而第二长度b0为1.5um，第二阈值需为第二长度b0的3％，则第二阈值等于45nm。继而，多个第二晶体管m1_i的宽a2和长b2可以分别设置为：a2＝2um+20nm且b2＝1.5um-30nm、a2＝2um-50nm且b2＝1.5um-30nm等。

这样，多个第二晶体管200输出正偏差镜像电流ii和负偏差镜像电流ii的概率比得到了第二晶体管m1_i尺寸的调制，即得到了误匹配以外因素的调制，在误匹配因素使得多个第二晶体管200输出正偏差镜像电流ii和负偏差镜像电流ii的概率不相等的情况下，则能够通过第二晶体管m1_i尺寸的调制使得多个第二晶体管200输出正偏差镜像电流ii和负偏差镜像电流ii的概率相等，继而通过多个目标电流的时间上平均处理而尽可能提高电流复制精度。

参照图5，在另一个可选的实施例中，电流镜向工作于预定周期的用电设备供电，控制支路300包括：

生成器310，用于产生周期性的选通信号con；

选通器320，和计时器310以及多个选择开关s连接，用于根据选通信号con在每个选通周期依次选通多个选择开关s，其中，选通周期小于预定周期。

具体可以理解为：生成器310在一个选通周期内：按时间顺序在第一时刻t1生成控制指令con1，在第二时刻t2生成控制指令con2，…，在第k时刻tk生成控制指令conk(k为一个选通周期内目标电流的数量)，其中，对于第j(j＝1，2，…，k)时刻，生成器310生成了控制指令conj，选通器320接收该控制指令conj并根据该控制指令conj而生成第j个控制信号组x^j＝{p^j1，p^j2，…，p^jm}，其中，p^j1，p^j2，…，p^jm皆不相同且分别对应于一个开启信号，而开启信号p0控制开关s0接通，开启信号p1控制开关s1接通，…，开启信号pn控制开关sn接通，以及，第v个控制信号组x^v所包括的控制信号中至少有一个是第j个控制信号组x^j所不包括的(v＝1，2，…，k且v≠j)。

需要说明的是，生成器320接收该控制指令conj并根据该控制指令conj而生成第j个控制信号组x^j＝{p^j1，p^j2，…，p^jm}，可以是基于选通器320内存储的关联数据实现，该关联数据为表示控制指令conj和控制信号组x^j之间对应关系的数据。

上述开关可以如图5所示采用n型mosfet，具体连接方式为：源极和第二晶体管200的漏极连接，漏极和连接节点q连接，栅极和选通器320连接以接收控制信号con。

进一步，上述所提到的预设数量m是由电流镜所驱动用电设备的需求电流确定的，例如，输入电流iin＝1ua，而用电设备的需求电流为3ua，则预设数量m＝3。这样，本发明实施例提供的电流镜能够用于对多种不同电流需求的用电设备提供电能。

本发明实施例中，控制支路300通过生成器310和选通器320实现了多个目标电流在一个选通周期内按时间顺序依次生成的目的，操控简单且有序；并且，电流镜以选通周期为单位时间对用电设备提供较稳定的电流，若缩短选通周期还可以使得电流镜的输出电流iout始终保持为选通周期内所有目标电流的平均电流，从而达到供电电流更加稳定的优良特性。

进一步，上述生成器310包括以下任意一种：

(1)计时器，用于以目标时长单位进行时间测量并在测量到的各个时刻生成一个控制指令，其中，控制指令通过生成顺序和控制信号组的排序相对应而建立一一对应关系，即控制指令之间无内容的区别，例如，控制指令可以皆为脉冲信号，这样控制指令的产生较为简单。

例如，目标时长单位为0.002s，则在距开始时刻的0.002s时刻生成控制指令con1，然后在距开始时刻的0.004s时刻生成控制指令con2，…，最后在距开始时刻的(k·0.002)s时刻生成控制指令conk。

并且，若控制指令按生成顺序排序为{con1、con2、…、cony、…、conk}，控制信号组的排序为{x¹、x²、…、x^y、…、x^k}，则控制指令cony和控制信号组x^y相对应(y＝1，2，…，k)，即，选通器320在接收到控制指令cony的情况下则输出控制信号组x^y。

(2)计数器，用于按时间顺序依次地生成数值逐渐增一的数字而作为控制指令，其中，控制指令通过数字表示控制信号组的排序号而建立一一对应关系，这样控制指令的产生通过现有计数器则可实现，并且选通器320中无需存储较复杂的关联数据。

需要说明的是，按时间顺序依次地生成数值逐渐增一的数字，例如，计数器按时间顺序依次地生成数字1，2，…，y，…，k，这些数字中每个都表示一个控制指令；控制信号组的排序为{x¹、x²、…、x^y、…、x^k}，则选通器320在接收到数字y所表示控制指令的情况下输出控制信号组x^y。

(3)随机数生成器，用于按时间顺序依次生成随机数字或随机数字组而作为控制指令，其中，控制指令通过随机数字表示控制信号组的排序号而建立一一对应关系，或者，通过随机数字组中的数字表示输出支路的排序号而建立一一对应关系，这便同样使得控制指令的产生通过现有随机数生成电路则可实现，并且选通器320中无需存储较复杂的关联数据，而且还增加了输出支路选通的随机性，有利于等概率地输出正偏差镜像电流ii和负偏差镜像电流ii。

控制指令通过随机数字表示控制信号组的排序号而建立一一对应关系，例如，控制信号组的排序为{x¹、x²、…、x^y、…、x^k}，若随机数生成电路按时间顺序依次生成以下随机数字以作为控制指令：4，1，…，则选通器320按时间顺序依次输出控制信号组x⁴，x¹，…。

控制指令通过随机数字表示控制信号组的排序号而建立一一对应关系，例如，预设数量m＝2，随机数生成电路按时间顺序依次生成以下随机数组以作为控制指令：{4，7}、{2，1}、…，则选通器320按时间顺序先控制第四个输出支路和第七个输出支路导通，然后再控制第二个输出支路和第一个输出支路导通，…。

本发明实施例还提供了一种电流复制方法，参照图6，该电流复制方法包括：

步骤s101，通过第一晶体管接收输入电流；

步骤s102，通过多个第二晶体管对输入电流进行复制，得到多个镜像电流；

步骤s103，在不同时刻依次控制等量但不重复的第二晶体管的电流输出支路导通，以使得电流输出端输出连接节点上不同时刻电流的平均值，其中，多个第二晶体管的电流输出支路通过连接节点连接到电流输出端。

具体地，上述电流方法可以采用以上所述的任一种电流镜来实现，关于这里电流复制方法的具体实施细节可以参照上述关于电流镜的描述，这里不再赘述。

本发明实施例提供的电流复制方法，各个第二晶体管和第一晶体管相结合组成一个子电流镜，各子电流镜得到的镜像电流相对于参考电流(参考电流与输入电流的比值等于预设电流比)的偏差出现正负值，因而，连接节点上不同时刻电流的平均值会因正偏差和负偏差的抵消作用而更接近于标准电流(标准电流与参考电流的比值等于同时选通的开关数量)，这减小了误匹配对输出电流的不良影响，达到了使输出电流较精准地按预设比例系数复制输入电流的技术效果。

相应于上述电流镜，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括用电设备和以上任一种电流镜，所述用电设备和电流镜的电流输出端连接，以通过所述电流镜对所述用电设备提供电能，从而使得用电设备获得较精准的电能以进行高性能工作。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。