一種高精度寬電流范圍電流鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及電流鏡，尤其設(shè)及一種高精度寬電流范圍電流鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 在模擬電路中，經(jīng)常使用電流鏡產(chǎn)生電路偏置電流、負(fù)載電流和精確的參考電流。 如圖1所示，所用的電流鏡常采用飽和管鏡像。工作在飽和區(qū)，且只考慮一階效應(yīng)的MOS管 的源漏電流公式如式（1)所示。相鄰的MOS管其和VTH都是相同的，由公式（1)知 道，如果VGS相同，則兩個(gè)MOS管的漏源電流ID只和W/L成比例。如圖1所示的電流Il和 12與Iref成比例。
[0003] 但是MOS管都存在二級(jí)效應(yīng)，溝道長度調(diào)制效應(yīng)。就當(dāng)柵和漏之間的電壓差增大 時(shí)，實(shí)際的反型溝道長度逐漸減小。也就是說，當(dāng)工作在飽和區(qū)的兩個(gè)MOS管VGS相同，但 是VDS不相同，則實(shí)際上兩個(gè)MOS管的反型溝道長度不相同，源漏電流也不相同，電流鏡像 就存在偏差。為保證電流鏡的鏡像精度，需要讓工作于飽和區(qū)電流鏡像的MOS管漏源電壓 相等。于是為提高電流鏡像精度，出現(xiàn)了圖2所示的電流鏡像電路。
[0004] 但上述都是工作在飽和區(qū)的MOS管進(jìn)行電流鏡像。MOS管工作在飽和區(qū)的條件如 式（3)所示，為工作于飽和區(qū)VGS必需低于VDS+VTH。由式似知道鏡像輸出電流ID越大， 所需的W/L也就越大，占用很大版圖面積。同時(shí)為保證工作于飽和區(qū)，VDS電壓需要高于 VGS-VTH，所W圖2所示的電流鏡像電路限定了電流鏡輸出端的漏極最小電壓。較大的VDS 電壓使得工作于飽和區(qū)的電流鏡具有較大的功耗。如果要降低VDS電壓，則要相應(yīng)地降低 VGS電壓，而且相同的源漏電流ID下就需要增大W/L。而采用工作于線性區(qū)的MOS管電流 鏡，如式（4)所示，VGS電壓大于VDS+VTH，也就是VDS可W很小。所W對(duì)輸出鏡像電流大的 電流鏡采用工作于線性區(qū)的電流鏡可W大幅降低輸出功耗。同時(shí)如式（5)所示，相同的源 漏電流ID下，VGS電壓增大可W減小W/L值，減小版圖面積。但工作于線性區(qū)的MOS管電 流鏡需要使MOS管的VDS電壓相同才能保證電流的精確鏡像。
陽0化] U ) W06] (2)
[0007] MOS管工作在飽和區(qū)的條件：[000引Vgs<Vds+Vth 做[0009] MOS管工作在線性區(qū)的條件：[0010] Vgs〉Vds+Vth (4)
[0011] C5)
[0012] 而且由式（2)和式（5)知道，無論工作于飽和區(qū)還是線性區(qū)的電流鏡，只要保證 VGS和VDS相同，則電流鏡像比和寬長比之比成正比例關(guān)系，如果電流鏡的輸入輸出電流相 差較大，則寬長比的比例值相差也會(huì)較大，尺寸相差較大的MOS使得版圖上的匹配變差，從 而電流鏡像精度變差。
[0013] 下面分別討論工作于飽和區(qū)和線性區(qū)的電流鏡其電流鏡像精度的影響因子。由式 似和式妨知道決定源漏電流ID的因素有ii"、(；x、VTH、W/L、VGS、VDS。其中y。是載流 子遷移率，由工藝決定；Cm是單位面積的柵氧化層電容，由工藝決定；VTH是MOS管的闊值 電壓，由工藝決定，隨L和襯底電壓有細(xì)微變化。W/LVGS、VDS是電路設(shè)定值。y。和CM因 素對(duì)源漏電流ID的影響程度對(duì)于飽和區(qū)和線性區(qū)的電流鏡都是相同的，不受電路設(shè)計(jì)控 審IJ。VTH的影響因素雖然由工藝決定，但對(duì)飽和區(qū)和線性區(qū)的電流鏡影響程度不相同。下面 分別對(duì)VTH、VGS和VDS影響因素進(jìn)行討論。
[0014] VTH對(duì)電流鏡像的影響：
[0015] 工作于飽和區(qū)和線性區(qū)的MOS管源漏電流ID分別對(duì)VTH求導(dǎo)得：
[0016] 飽和區(qū)公式： （技）
[0017] 線性區(qū)公式： 巧)
[0018] 占比： (8)
[0019] 飽和區(qū)： (9)
[0020] 線性區(qū)：
[0021] 由于飽和區(qū)VGS-VTH<VDS，而在線性區(qū)VGS-VTH〉VDS。因此有：
[0022] 飽和區(qū)： （.10) 陽02引線性區(qū)： （11)
[0024] 所W，在線性區(qū)VTH變化引起源漏電流ID占比變化要小于在飽和區(qū)VTH引起電流 ID的變化。
[0025] 雖然同一個(gè)忍片的NMOS的VTH偏差較小，但仍然會(huì)存在偏差。所W工作在線性區(qū) 的電流鏡可W提高電流精度。特別是對(duì)于電流鏡像比例值較大的電流鏡，工作于線性區(qū)的 電流鏡受工藝的VTH影響更小。
[0026] VGS對(duì)電流鏡像的影響：
[0027] 式似和式妨分別對(duì)VGS求導(dǎo)得： 陽02引飽和區(qū)公式：
（巧）
[0030] 占比：
[0029] 線性區(qū)公式：
（13;
(14)
[0031] 飽和區(qū)：
[0034] 飽和區(qū) （16) (In)
[0032] 線性區(qū)
[0033] 同樣由飽和區(qū)VGS-VTH<VDS，線性區(qū)VGS-VTH〉VDS式子得到：
陽03引線性區(qū) （17)
[0036] 所W在線性區(qū)VGS電壓變化所引起的電流變化量小于工作于飽和區(qū)。而且VGS 電壓越高，由VGS偏差引起的電流偏差就越小。提高VGS可W提高電流鏡像精度。
[0037] VGS電壓偏差出現(xiàn)在電流鏡中輸入輸出管的柵極電壓沒有直接連接而是通過OP 緩沖后連接，如圖所示。同時(shí)NMOS管的所處在的地端電壓一致也會(huì)導(dǎo)致MOS的源端電壓不 同，引起電流鏡中VGS不相同。 陽03引 VDS對(duì)電流鏡像的影響：
[0039] 飽和區(qū)：- (14) W40] 線性區(qū)：
[0041] 飽和區(qū)的溝道調(diào)制系數(shù)A很小，遠(yuǎn)小于1，溝道越長A越小。 陽0創(chuàng)線性區(qū)中VGS-VTH〉VDS，其中VGS越大，式（19)中的系數(shù)越接近1。所W:
[0043]
(2C))
[0044] 綜上所述，工作于飽和區(qū)的電流鏡的電流鏡像精度相對(duì)工作于線性區(qū)的電流鏡更 易受VTH和VGS因素的影響，更易受工藝和版圖匹配的影響。而工作于線性區(qū)的電流鏡對(duì) 工藝和版圖匹配的影響小些，但受VDS電壓變化影響較大。所W提高工作于線性區(qū)的電流 鏡的電流鏡像精度的首要任務(wù)是保證電流鏡輸入輸出管的VDS電壓盡量相等。
[0045] 申請?zhí)枮?01010238706.3的中國專利《一種自適應(yīng)的電流鏡》提出了一種工 作于線性區(qū)的自動(dòng)切換電流檔位的電流鏡像方法，如圖3所示，醒1-NM4為電流參考管， 醒5-NM8,NM8-12分別為兩組電流鏡像輸出管，電流參考管和電流鏡像輸出管間采用共柵極 連接，而檔位切換開關(guān)放置在MOS管的漏極互連，如圖3中的SW1-9所示。電流鏡采用工作 于線性區(qū)的MOS管進(jìn)行電流鏡像，AMP1-3的作用是限定醒1-NM12的MOS管的VDS電壓，讓 其等于參考電壓化ef，實(shí)現(xiàn)電流鏡像。因?yàn)橛墒剑?)知道相同工藝的情況下參 數(shù)相同，電路上使得MOS管的VGS和VDS相同，則MOS管的漏源電流之比等于寬長比之比。 同時(shí)由線性區(qū)漏源電流公式（4)知道，VDS-定情況下，VGS電壓反應(yīng)了漏源電流ID(電路 中為Iref)的大小，通過判斷VGS電壓，判斷電流的大小，從而切換相應(yīng)的開關(guān)SW1-9動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)電流檔位切換。
[0046] 該電流鏡采用工作于線性區(qū)的MOS管進(jìn)行電流鏡像，可W有效的降低電流鏡輸出 端的最小電壓，同時(shí)還可W通過切換電流檔位在較大電流鏡像時(shí)提高電流鏡像精度，從而 擴(kuò)展了電流鏡像范圍。但該電流鏡仍然存在不足之處，是其檔位切換開關(guān)SW1-9放置在MOS 的漏端進(jìn)行互連。由公式（4)可W知道，工作在線性區(qū)的MOS管，其漏源電流ID與VDS成 二階關(guān)系，也就是工作在線性區(qū)的MOS管其漏源電壓VDS變化一點(diǎn)，其漏源電流ID發(fā)生較 大的變化。由于開關(guān)SW存在內(nèi)阻，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流流過開關(guān)偏會(huì)產(chǎn)生壓降A(chǔ)V。設(shè)開關(guān) SW阻抗為R，則NM6上的VDS電壓等于化ef-R* (I1+I2+I3)?；痚f-般為幾百mV，I1+I2+I3 一般會(huì)有幾十mA，開關(guān)SW阻抗R若存在1歐姆的阻抗（NMOS管面積約50um*100um)則對(duì) NM6的VDS電壓產(chǎn)生幾十mV(約10% )的影響。因此開關(guān)SW對(duì)NM6的VDS電壓極大地影 響著輸出電流的精度。另外在CMOS工藝的IC中，開關(guān)SW-般采用MOS管來實(shí)現(xiàn)，若想減 小開關(guān)SW的內(nèi)阻來減小輸出電流精度的影響，則需要大幅增大開關(guān)SW的MOS管面積，而且 開關(guān)SW的個(gè)數(shù)較多時(shí)，開關(guān)SW所占忍片面積極大，甚至超過電路本身的版圖面積。所W圖 3中的電流鏡具有輸出電流較大時(shí)鏡像精度差，而且版圖面積大的缺點(diǎn)，導(dǎo)致該電流鏡電路 沒有應(yīng)用價(jià)值。
[0047] 在現(xiàn)有的多通道輸出的L邸恒流驅(qū)動(dòng)電路中，其輸出電流大小由一個(gè)外掛電阻產(chǎn) 生的輸入電流通過比例電流鏡產(chǎn)生，輸出電流大小和精度受比例電流鏡影響。而現(xiàn)有技術(shù) 中工作在飽和區(qū)的電流鏡輸出電壓要求較高，功耗較大，而且版圖面積也較大。而工作在線 性區(qū)的電流鏡，由于VDS電壓偏差而導(dǎo)致電流精度損失，尤其是大電流輸出的電流鏡像精 度變差，所W工作在線性區(qū)的電流鏡保持高精度的工作范圍有限。而且由式（5)知道，工作 在線性區(qū)的電流鏡如胖/1、和VDS保持不變，則鏡像電流ID與VGS成正比，也就是ID變大 時(shí)，VGS也會(huì)變大。但是VGS最大只能達(dá)到電源電壓VDD。因此當(dāng)ID變大使得VGS變大接 近VDD時(shí)電流鏡的電流鏡像能力大大降低，無法提供準(zhǔn)確的電流鏡像能力。通常的解決方 法是采用切換W/L大小，當(dāng)ID過大，使得VGS接近VDD時(shí)，增大電流鏡的W/L值，從而降低 VGS電壓，也就是設(shè)置電流鏡檔位。而增大電流鏡的W/L值的方法通常是采用MOS開關(guān)的方 式并接入更多的MOS管。因此為滿足不同的輸出電流需求，其通常做法是忍片擁有電流檔 位切換功能，可W根據(jù)輸出電流的大小自動(dòng)切換內(nèi)部電流鏡工作數(shù)目，W保證輸出電流可 W保持較高精度。但是現(xiàn)有的自動(dòng)切換電流鏡技術(shù)仍然存在缺陷和需要改進(jìn)在地方。為進(jìn) 一步提高電流鏡像精度，拓寬電流鏡像范圍，縮小電路的版圖面積，提出本實(shí)用新型。

【發(fā)明內(nèi)容】