電流鏡

實際的電路中有許多電流源,通常套用器件的匹配的方法,僅用一個“基準電流源’’作為輸入,為多個電流源提供偏置電壓,或者說直接提供多個恆定電流。這些匹配器件組成的結構,稱為電流鏡,它是恆流源電路的一種特殊情形。它的受控電流與輸入參考電流相等,即輸入輸出電流傳輸比等於1。其特點是輸出電流是對輸入電流按一定比例的“複製”。

基本介紹

  • 中文名:電流鏡
  • 外文名:Current-mirrors
  • 含義:恆流源電路的一種特殊情形
  • 套用:集成、模擬電路
概念介紹,靜態電流鏡,動態電流鏡,

概念介紹

電流鏡是模擬積體電路中普遍存在的一種標準部件,它也出現在一些數字電路中。在傳統的電壓模式運算放大器設計中,電流鏡用來產生偏置電流和作為有源負載。在新型電流模式模擬積體電路設計中,電流鏡除了用來產生偏置電流外,還被廣泛用來實現電流信號的複製或倍乘,極性互補的電流鏡還可以實現差動一單端電流信號的變換。電流鏡不僅是設計積體電路的基本單元電路,而且它本身就是一種典型的電流模式電路,在一些電流模式系統(例如高頻連續時間濾波器、人工神經網路)中得到直接套用。
電流鏡是電流控制電流源,下圖是其示意圖。其中IR是由外部給定的基準電流,而Io是它的鏡輸出電流,n可以大於1、小於1或等於1。電流鏡可以有多路輸出電流。人們對電流鏡所關心的問題是其輸出電阻、Io對IR的跟隨精度以及它對電源電壓和溫度的靈敏性等。
電流鏡示意圖電流鏡示意圖

靜態電流鏡

電流鏡符號
簡單電流鏡是一種三端器件,下圖所示是它的示意圖。圖中的N1是輸入節點,它是能接受一種極性電流I1的輸入端;N2是輸出節點,它是能提供輸出電流I2的輸出端,I2是I1的複製(拷貝),即I2與I1流向相同,數值相等,也可以說I2跟隨I1;N0是公共節點,這個節點中的電流是I1與I2之和。
電流鏡示意圖電流鏡示意圖
實用電流鏡應該具有下列三點基本性能。
①輸出支路的電流I2應基本與節點N2的電壓V2無關,V2允許被偏置到與公共節點N0相差幾百毫伏到幾伏的任何電位,即N2節點的增量輸出電阻或稱交流小信號輸出電阻r0(更通用應為交流輸出阻抗Zo)應該很高,理想時為無窮大。
②輸入節點N1的直流電壓V1應當很小,通常比公共節點N0相差幾百毫伏,而且電壓V1基本上與輸入電流I1的增量變化無關,即小信號交流輸人電阻ri(更通用為交流輸人阻抗Zi)應相當低,理想時為零。
③電流傳輸比M=I2/I1應該儘可能接近於1,而且在很多十倍程變化範圍內與電流的幅值無關,即理想電流鏡是線性元件。在信號傳輸通路的套用中,理想電流鏡電流傳輸比M的幅頻回響和相頻回響應該與信號的頻率無關。下圖所示是電流鏡常見的代表符號,其中圖(a)是正極性電流鏡,圖(b)是負極性電流鏡。
電流鏡代表符號電流鏡代表符號
在實用電流鏡中,輸人電流I1通常叫作基準電流,用IR表示;輸出電流用Io表示。正極性電流鏡用NPN雙極型管或N溝MOS管組成,由正極性電源VCC供電,IR和Io分別流人節點N1、N2;負極性電流鏡用PNP或P溝MOS管組成,由負極性電源VCC供電,IR、Io分別自節點N1、N2流出。
雙極型基本電流鏡
下圖是由兩個NPN電晶體組成的雙極型基本電流鏡。T1是輸入管,它的B、C極短接作為輸入端,輸入節點N1與公共節點N0之間是T1的正偏發射結,具有低直流偏置電壓和很小的交流輸入電阻。T2是輸出管,它的集電極是輸出端,集電極電流是輸出電流並具有恆流特性,因此具有很高的交流輸出電阻。基準電流IR可用兩種方法來實現,下圖(a)的IR是經電阻尺和正電源獲得,IR的數值可用R進行調節,這種方法主要用於產生偏置電流;下圖(b)的IR由一個電流源直接提供,常用於電流信號的複製。
雙極型基本電流鏡雙極型基本電流鏡
MOS管基本電流鏡
由兩個N溝增強型MOS管組成的基本電流鏡如下圖所示。M1與M2兩管的襯底與源短接,所以不存在體效應。M1作輸入管,其柵、漏極短接,VDS1=VGS1>VGSt-VT1,所以T1總是工作在飽和區,而且由於柵、漏短接,其交流輸人電阻也較低。T2作輸出管,只要VDS2>VDS1-VT2,T2也工作在飽和區,漏極的交流輸出電阻很高,這是下圖所示電路作為電流鏡的必要條件。
NMOS基本電流鏡NMOS基本電流鏡
Widlar電流鏡
在積體電路中,經常要用到微安級的小電流。若用前述基本電流鏡來獲得小電流,將遇到兩個困難。一個是由於版圖的原因,雙極型電晶體T1、T2的發射結面積之比不能任意大,一般A1/A2<10。另一個是基準電流IR不能太小,否則電阻R值太大。例如,設Io=10μA,IR=100μA,當Vcc=15 V時,R=150kΩ,這樣大的電阻所占晶片面積是很大的。
Widlar是一種適宜產生小電流的電流鏡,其電路如下圖所示。在T2的發射極上串入小電阻R2,使T2的VBE2小於T1的VBE1。通過改變R2的電阻值,可以改變Io與IR之比,並獲得小電流輸出。
Widlar電流鏡Widlar電流鏡
級聯電流鏡
雙極型級聯電流鏡如下圖所示。它的輸入端一側為T1、T4串聯,輸出端一側為T2、T3串聯。T1、T4都是B、C極短接,使得IR輸入端呈現低輸入電阻。T2、T3的B、C極都不短接,使Io輸出端具有高輸出電阻。
下圖所示電路可以看作是上圖所示Widlar電流鏡的改進,即採用T3管的輸出電阻ro3=rce3代替了無源電阻R2,因為ro3比R2大,所以可進一步提高電流鏡的輸出電阻。用rce3代替R2,可直接得到下圖所示電路的輸出電阻:
雙極型級聯電流鏡雙極型級聯電流鏡

動態電流鏡

以上介紹的電流鏡是經典的靜態電流鏡,其工作方式為連續時間模擬信號處理,電路中沒有周期動作的開關,電路工作狀態與時間無關,一旦接通電源,電路始終處於穩定狀態,這種電流鏡的電流複製精度受到其中電晶體匹配程度的限制。令人遺憾的是,在廣泛套用的CMOS積體電路中,MOS管電流鏡的精度難以達到很高,這是由於MOS電晶體的閾值電壓失配值和1/f噪聲值偏大而造成的。
能否在不要求電晶體嚴格匹配的條件下實現電流信號的精確複製呢?實現這一想法的一種創新電路叫動態電流鏡,它是1988年分別由E.A.Vittoz和Y.P.Tsividia等人獨立提出的新型電流鏡。
動態電流鏡利用MOS電晶體的動態存儲性能,把模擬量信息暫時存放在柵極電容上,但並不要求柵極電流。動態電流鏡的基本思路是,僅使用一個電晶體實現電流複製,這個電晶體要在開關的控制下按順序工作,一會兒作電流鏡的輸入管,把基準電流以相應的柵電壓形式存儲起來;一會兒作電流鏡的輸出管,在存儲柵壓的控制下把同樣的電流複製出來。因為僅用了一個電晶體,所以就不存在失匹問題。
動態電流鏡的原理還被擴展到許多不同的電路中,促進了一些很高精度的模擬CMOS標準部件的發展。
動態電流鏡又稱電流拷貝器(Current Copier)或取樣電流電路(Sampled-Current Circuit)。其基本單元電路如下圖所示,它由一個電晶體Mm、一個存儲電容C和三個開關Sx、Sy、Sz真組成。電流源IR代表欲複製的信號電流(基準電流),三個開關都是用MOS電晶體實現的。
動態電流鏡工作原理動態電流鏡工作原理
三個開關在時鐘信號的控制下周期性地接通和斷開,使電路出現兩個過程的循環往復,第一個過程是電流存儲,第二個過程是電流複製,下面說明兩個過程的工作原理。
電流存儲過程如上圖(a)所示,Sx、Sy接通,Sz斷開,電流源IR將輸人電流饋送到D、G短接的MOS電晶體Mm,使柵極存儲電容C充電,並使Mm導通。當達到平衡時,電容C充電到使電晶體電流ID=IR所要求的柵極電壓值V,於是電流h的值以電壓形式存儲在電容C的兩端,在這個過程中,Mm作電流鏡的輸入電晶體。
電流複製過程如上圖(b)所示,Sx、Sy斷開,Sz接通。在Sx斷開之後,電容C上記憶著柵極電壓,因此Mm的漏極電流仍然等於輸入電流IR。當Sy斷開和Sx閉合時,輸出端的負載可得到存儲的漏極電流IR,在這個過程中,Mm作電流鏡的輸出電晶體。
上圖(c)給出了相應的時鐘相位,為了避免電容C放電,Sx應在Sy斷開和Sz接通之前斷開。

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