用于DAC输出端的高线性度电流镜电路的制作方法

本实用新型涉及一种集成电路，尤其涉及一种电流镜电路。

背景技术：

在数模混合集成电路中，电流输出型数模转换器(DAC)常被用作模拟电路偏置电流的控制单元，一种典型应用是激光驱动器(LASER DIODE DRIVER)的偏置电流(IBIAS)和调制电流(IMOD)的控制。

激光驱动器LDD的IBIAS和IMOD控制的简化电路如图1所示：光功率控制逻辑决定了两个DAC的输出电流大小，再通过电流镜电路1、2放大一定倍数后输出到激光二极管。电流镜电路的输入和输出电流要有良好的镜像线性度，一是要求电流镜有高的输出阻抗，抑制沟道长度调制效应对电流镜像精度的影响；二是电流镜的输入电压也不能太高，不能超过DAC的正常输出电压范围。此处电流镜电路1、2有以下几种常见的实现方案：

方案一：如图2所示这是一种自偏置型低压共源共栅电流镜电路，DAC的输出端A点的电压等于V_GS1+I_{OUT_DAC}*R1，V_GS1是MOS管M1管的栅-源电压。M1、M2是电流镜MOS管，为了保证电流镜像的线性度，M1、M2必须工作在饱和区。M3、M4是共源共栅管，M3、M4要有合适的栅极电压，使M1、M2被偏置在饱和区。M2、M4的宽长比分别是M1、M2的M倍，理想条件下，M4的漏极电流I_OUT是DAC输出电流的M倍。

方案1的缺点：

(1)随着DAC输出流的逐渐增大，电阻R1的压降不断增大，DAC输出端电压容易超过DAC的正常工作范围，影响DAC输出电流的线性度，限制了电流镜正常工作的电流范围；

(2)电流镜正常工作时，NMOS管M1和M4必须同时工作在饱和区，要求V_DS1>V_GS1-V_TH1且V_DS3>V_GS3-V_TH3，通过简单推导可得到I_OUT允许的变化范围是：(V_GS3-V_TH1)/R1<I_OUT<V_TH3/R1，由此可以看出，只有在很有限的DAC输出电流范围内，电流镜管M1-M4都工作在饱和区。

方案二：如图3所示，与方案一相比，去掉了电阻R1，DAC的输出端电压等于V_GS1。M3和M4的栅级电压由二极管接法的M5、M6的偏置电流提供，M5、M6的偏置电流是固定的。适当的调整M5和M6的尺寸，可使M1-M4在一定的DAC电流输出范围内工作在饱和区。

方案2的缺点：

与方案一相比，去掉了自偏置电阻R1，DAC的输出电压范围增加了I_OUT*R1，DAC的输出电压范围增大了。然而，电流镜MOS管M1和M2工作在饱和区的条件是V_B-V_GS3>V_A-V_TH1，随着DAC输出电流增大，V_GS3和V_A会随之增大，由于M5、M6的偏置电流是固定，偏置电压V_B也是固定的，M1和M2很容易就会进入线性区。

电流镜输出端通常接外部电路，外部电路产生的压降经常会迫使M4进入线性区，例如图2中的LDD高速开关通常由NMOS管实现，假设高速开关信号的高电平等于V_GSH，开关管的栅-源电压时V_GSSW，那么M4的漏极电压就等于V_GSH-V_GSW，随着电流镜的输出电流I_OUT增大，V_GSW会随之增大，当V_GSH-V_GSW<V_G4-V_TH4，M4就会进入线性区，使电流镜的输出阻抗就会急剧下降，电流镜像的线性度降低。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的主要技术问题是提供一种电流镜电路，在DAC很大的电流输出变化范围内，M1-M4都能工作在饱和区。

本实用新型所要解决的次要技术问题是提供一种电流镜电路，即使电流镜输出端的MOS管进入线性区，电流镜输出阻抗也不会急剧下降，从而使得电流镜电路的输出电流很大时，也有良好的镜像线性度。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种用于DAC输出端的高线性度电流镜电路，包括：

第一MOS管M7，其栅极与漏极相连后与数控电流源阵列的输出端相连，该数控电流源阵列的输出电流随着DAC的数字输入值增加而增加；

第二MOS管M8，其栅极与M7的栅极连接，漏极与M7的源极连接，源极接地；

第三MOS管M9，其栅极与M7的栅极连接，漏极与DAC的输出端相连；

第四MOS管M10，其漏极与M9的源极连接，源极接地；

第五MOS管M11，其栅极与M10的栅极连接，源极接地；

运算放大器OP1，其正极输入端与M9的源极连接，负极输入端与第六MOS管M12的源极连接，输出端与M12的栅极连接；所述M12的源极还与M11的漏极连接；所述M12的漏极连接到外部负载电路。

在一较佳实施例中：所述数控电流源阵列包括恒定电流源Iconst和二进制电流源阵列。

在一较佳实施例中：所述数控电流源阵列的输出电流随着DAC的数字输入值增加而增加；恒定电流源Iconst的输出电流保持不变。

在一较佳实施例中：所述外部负载电路为高速差分开关电路。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：

本实用新型提供了一种用于DAC输出端的高线性度电流镜电路，共源共栅的MOS管M7和M8的栅极偏置电压随DAC输出电流动态变化，调整电流镜MOS管M9-M12的V_DS值，保证电流镜电路在很大的DAC输出电流变化范围内都工作在饱和区。

DAC输出端电压仅等于MOS管M9的V_GS，不容易超过DAC的输出工作电压。

使用运算放大器OP1的“虚短”效应钳位电流镜MOS管M10和M11的漏级，使电流镜MOS管M10和M11的V_DS值近似完全相等，大大提高镜像的准确性。

运算放大器OP1增大电流镜电路的输出阻抗，抑制沟道长度调制效应对电流镜像准确性的影响。即使电流镜输出端的共源共栅高速开关管进入线性区，只要运放放大器OP1工作在饱和区，仍然能使电流镜MOS管M10和M11的V_DS值近似相等，保证电流镜像的准确性。

附图说明

图1为激光驱动器LDD的IBIAS和IMOD控制电路的简化电路图；

图2为现有技术中电流镜电路的一种电路图；

图3为现有技术中电流镜电路的另一种电路图；

图4为本实用新型优选实施例中用于DAC输出端的高线性度电流镜电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步描述：

参考图4，一种用于DAC输出端的高线性度电流镜电路，包括：

第一MOS管M7，其栅极与漏极相连后与电流源的输出端相连，本实施例中，所述电流源阵列包括恒定电流源Iconst和二进制电流源阵列。所述二进制电流源阵列的输出电流随着DAC的数字输入值增加而增加；恒定电流源Iconst的输出电流保持不变。从而使得该电流源的输出电流随着DAC的数字输入值增加而增加；

第二MOS管M8，其栅极与M7的栅极连接，漏极与M7的源极连接，源极接地；

第三MOS管M9，其栅极与M7的栅极连接，漏极与DAC的输出端相连；

第四MOS管M10，其漏极与M9的源极连接，源极接地；

第五MOS管M11，其栅极与M10的栅极连接，源极接地；

运算放大器OP1，其正极输入端与M9的源极连接，负极输入端与第六MOS管M12的源极连接，输出端与M12的栅极连接；所述M12的源极还与M11的漏极连接；所述M12的漏极连接到外部负载电路，本实施例中，该外部负载电路为高速差分开关电路，根据实际需要，也可以连接其他的负载电路。

本方案的电流镜电路取消了方案1中的自偏置电阻R1，DAC的输出电压等于V_GS1，与方案二相同。也使用二极管接法的MOS管M7、M8为M9的栅极提供偏置电压，但与方案二不同的是，M7和M8的电流等于恒定电流源Iconst与二进制电流源阵列之和，如图4左侧虚线框内所示。二进制电流源阵列的总输出电流受到DAC输入数字值的控制，假设DAC为N位分辨率，当DAC数字输入值很小时，数控电流源阵列全部关闭，随着数字值增大，电流源阵列输出逐渐增大，流过M7和M8的电流升高，换句话说，流过M7和M8的偏置电流与DAC的输出电流是成正比，因此DAC的输出电流增大会使A点的电位升高，又由于M9起到源跟随器的作用，B点电位也随之被抬高，增大了M10的VDS值。M9的漏级电压也随着M10管的V_GS值而增大，由于M9管栅极的偏置电压与DAC输出电流成正比，因此在很大的DAC输出电流变化范围内，M10和M9都可以被偏置在饱和区，又不会超出DAC的输出电压范围。运算放大器OP1的两个输入端分别接图4中的B点和C点，OP1的输出端接M12的栅级，由于运算放大器OP1的“虚短”特性，B点和C点被钳制在近似相等的电位。假设运算放大器OP1的开环低频增益为A_V，电流镜输出端的输出阻抗就增大了A_V倍，达到Av*gm₄*rout₄²的数量级，gm₄和rout₄是M12的跨导和输出阻抗，当电流镜的输出电流增大，高速开关管的V_GS增大，导致M12进入线性区，但只要运算放大器OP1仍然工作在饱和区，运算放大器OP1的增益就很大，电流镜仍然拥有很高的输出阻抗，“虚短”效应仍然存在，使B点和C点电位仍然近似相等，M10和M11的漏级电流仍然有很好的镜像关系。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。上述实施例并不应视为限制本实用新型的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。