一种高精度宽电流范围电流镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电流镜，尤其设及一种高精度宽电流范围电流镜。
【背景技术】
[0002] 在模拟电路中，经常使用电流镜产生电路偏置电流、负载电流和精确的参考电流。 如图1所示，所用的电流镜常采用饱和管镜像。工作在饱和区，且只考虑一阶效应的MOS管 的源漏电流公式如式（1)所示。相邻的MOS管其y"、C"和VTH都是相同的，由公式（1)知 道，如果VGS相同，则两个MOS管的漏源电流ID只和W/L成比例。如图1所示的电流11和 12与Iref成比例。
[0003] 但是MOS管都存在二级效应，沟道长度调制效应。就当栅和漏之间的电压差增大 时，实际的反型沟道长度逐渐减小。也就是说，当工作在饱和区的两个MOS管VGS相同，但 是VDS不相同，则实际上两个MOS管的反型沟道长度不相同，源漏电流也不相同，电流镜像 就存在偏差。为保证电流镜的镜像精度，需要让工作于饱和区电流镜像的MOS管漏源电压 相等。于是为提高电流镜像精度，出现了图2所示的电流镜像电路。
[0004] 但上述都是工作在饱和区的MOS管进行电流镜像。MOS管工作在饱和区的条件如 式（3)所示，为工作于饱和区VGS必需低于VDS+VTH。由式（2)知道镜像输出电流ID越大， 所需的W/L也就越大，占用很大版图面积。同时为保证工作于饱和区，VDS电压需要高于 VGS-VTH，所W图2所示的电流镜像电路限定了电流镜输出端的漏极最小电压。较大的VDS 电压使得工作于饱和区的电流镜具有较大的功耗。如果要降低VDS电压，则要相应地降低 VGS电压，而且相同的源漏电流ID下就需要增大W/L。而采用工作于线性区的MOS管电流 镜，如式（4)所示，VGS电压大于VDS+VTH，也就是VDS可W很小。所W对输出镜像电流大的 电流镜采用工作于线性区的电流镜可W大幅降低输出功耗。同时如式（5)所示，相同的源 漏电流ID下，VGS电压增大可W减小W/L值，减小版图面积。但工作于线性区的MOS管电 流镜需要使MOS管的VDS电压相同才能保证电流的精确镜像。
[0007] MOS管工作在饱和区的条件；
[0008]V,s<V"s+V,H(3)
[0009] MOS管工作在线性区的条件；
[0012] 而且由式（2)和式（5)知道，无论工作于饱和区还是线性区的电流镜，只要保证 VGS和VDS相同，则电流镜像比和宽长比之比成正比例关系，如果电流镜的输入输出电流相 差较大，则宽长比的比例值相差也会较大，尺寸相差较大的MOS使得版图上的匹配变差，从 而电流镜像精度变差。
[0013] 下面分别讨论工作于饱和区和线性区的电流镜其电流镜像精度的影响因子。由式 似和式（5)知道决定源漏电流ID的因素有y"、C"、VTH、W/L、VGS、VDS。其中y。是载流 子迁移率，由工艺决定；C。,是单位面积的栅氧化层电容，由工艺决定；VTH是M0S管的阔值 电压，由工艺决定，随L和衬底电压有细微变化。W/L、VGS、VDS是电路设定值。y济C"因 素对源漏电流ID的影响程度对于饱和区和线性区的电流镜都是相同的，不受电路设计控 审IJ。VTH的影响因素虽然由工艺决定，但对饱和区和线性区的电流镜影响程度不相同。下面 分别对VTH、VGS和VDS影响因素进行讨论。
[0014] VTH对电流镜像的影响；
[001引工作于饱和区和线性区的M0S管源漏电流ID分别对VTH求导得：
[002U 由于饱和区VGS-VTH<VDS，而在线性区VGS-VTH〉VDS。因此有；
[0024] 所从在线性区VTH变化引起源漏电流ID占比变化要小于在饱和区VTH引起电流 ID的变化。
[0025] 虽然同一个巧片的NM0S的VTH偏差较小，但仍然会存在偏差。所W工作在线性区 的电流镜可W提高电流精度。特别是对于电流镜像比例值较大的电流镜，工作于线性区的 电流镜受工艺的VTH影响更小。
[0026] VGS对电流镜像的影响；
[0027] 式似和式妨分别对VGS求导得：
[002引饱和区公式：
（12)
[0033] 同样由饱和区VGS-VTH<VDS，线性区VGS-VTH〉VDS式子得到；
[0036] 所W在线性区VGS电压变化所引起的电流变化量小于工作于饱和区。而且VGS电 压越高，由VGS偏差引起的电流偏差就越小。提高VGS可W提高电流镜像精度。
[0037] VGS电压偏差出现在电流镜中输入输出管的栅极电压没有直接连接而是通过OP 缓冲后连接，如图所示。同时NMOS管的所处在的地端电压一致也会导致MOS的源端电压不 同，引起电流镜中VGS不相同。
[003引 VDS对电流镜像的影响；
[0039] 饱和区；
[0040]
[0042] 饱和区的沟道调制系数A很小，远小于1，沟道越长A越小。
[00创线性区中VGS-VTH〉VDS，其中VGS越大，式（19)中的系数越接近1。所W:
[0044]
(20)
[0045] 综上所述，工作于饱和区的电流镜的电流镜像精度相对工作于线性区的电流镜更 易受VTH和VGS因素的影响，更易受工艺和版图匹配的影响。而工作于线性区的电流镜对 工艺和版图匹配的影响小些，但受VDS电压变化影响较大。所W提高工作于线性区的电流 镜的电流镜像精度的首要任务是保证电流镜输入输出管的VDS电压尽量相等。
[0046] 申请号为201010238706.3的中国专利《一种自适应的电流镜》提出了一种工 作于线性区的自动切换电流档位的电流镜像方法，如图3所示，醒1-NM4为电流参考管， 醒5-NM8,NM8-12分别为两组电流镜像输出管，电流参考管和电流镜像输出管间采用共栅极 连接，而档位切换开关放置在MOS管的漏极互连，如图3中的SW1-9所示。电流镜采用工作 于线性区的MOS管进行电流镜像，AMP1-3的作用是限定NM1-NM12的MOS管的VDS电压，让 其等于参考电压化ef，实现电流镜像。因为由式（4)知道相同工艺的情况下^。、(；,、￥^参 数相同，电路上使得MOS管的VGS和VDS相同，则MOS管的漏源电流之比等于宽长比之比。 同时由线性区漏源电流公式（4)知道，VDS-定情况下，VGS电压反应了漏源电流ID(电路 中为Iref)的大小，通过判断VGS电压，判断电流的大小，从而切换相应的开关SW1-9动作， 实现电流档位切换。
[0047] 该电流镜采用工作于线性区的MOS管进行电流镜像，可W有效的降低电流镜输出 端的最小电压，同时还可W通过切换电流档位在较大电流镜像时提高电流镜像精度，从而 扩展了电流镜像范围。但该电流镜仍然存在不足之处，是其档位切换开关SW1-9放置在MOS 的漏端进行互连。由公式（4)可W知道，工作在线性区的MOS管，其漏源电流ID与VDS成 二阶关系，也就是工作在线性区的MOS管其漏源电压VDS变化一点，其漏源电流ID发生较 大的变化。由于开关SW存在内阻，当开关闭合时，电流流过开关偏会产生压降AV。设开关 SW阻抗为R，则NM6上的VDS电压等于化ef-R*(Il+I2+I3)。化ef-般为几百mV，I1+I2+I3 一般会有几十mA，开关SW阻抗R若存在1欧姆的阻抗（NMOS管面积约50um*100um)则对 NM6的VDS电压产生几十mV(约10% )的影响。因此开关SW对NM6的VDS电压极大地影 响着输出电流的精度。另外在CMOS工艺的1C中，开关SW-般采用MOS管来实现，若想减 小开关SW的内阻来减小输出电流精度的影响，则需要大幅增大开关SW的M0S管面积，而且 开关SW的个数较多时，开关SW所占巧片面积极大，甚至超过电路本身的版图面积。所W图 3中的电流镜具有输出电流较大时镜像精度差，而且版图面积大的缺点，导致该电流镜电路 没有应用价值。
[0048] 在现有的多通道输出的L邸恒流驱动电路中，其输出电流大小由一个外挂电阻产 生的输入电流通过比例电流镜产生，输出电流大小和精度受比例电流镜影响。而现有技术 中工作在饱和区的电流镜输出电压要求较高，功耗较大，而且版图面积也较大。而工作在线 性区的电流镜，由于VDS电压偏差而导致电流精度损失，尤其是大电流输出的电流镜像精 度变差，所W工作在线性区的电流镜保持高精度的工作范围有限。而且由式（5)知道，工作 在线性区的电流镜如W/L、和VDS保持不变，则镜像电流ID与VGS成正比，也就是ID变大 时，VGS也会变大。但是VGS最大只能达到电源电压VDD。因此当ID变大使得VGS变大接 近VDD时电流镜的电流镜像能力大大降低，无法提供准确的电流镜像能力。通常的解决方 法是采用切换W/L大小，当ID过大，使得VGS接近VDD时，增大电流镜的W/L值，从而降低 VGS电压，也就是设置电流镜档位。而增大电流镜的W/L值的方法通常是采用M0S开关的方 式并接入更多的M0S管。因此为满足不同的输出电流需求，其通常做法是巧片拥有电流档 位切换功能，可W根据输出电流的大小自动切换内部电流镜工作数目，W保证输出电流可 W保持较高精度。但是现有的自动切换电流镜技术仍然存在缺陷和需要改进在地方。为进 一步提高电流镜像精度，拓宽电流镜像范围，缩小电路的版图面积，提出本发明。
【发明内容】
[0049] 为实现较低的输出电压、高的电流镜像精度、宽的电流镜像范围和尽量小的版图 面积，本发明提供了一种高精度宽电流范围电流镜，采用可W电流档位切换的工作于线性 区的电流镜，通过改进电流镜电路，提高VDS电压精度，从而提高电流镜像精度，拓宽电流 镜像范围。
[0050] 本发明提供了一种高精度宽电流范围电流镜，包括参考电流输入部分、电流档位 判断与控制逻辑、镜像电流输出部分；所述参考电流输入部分