電流鏡

電流鏡是模擬集成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集成電路設計中，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。電流鏡不僅是設計集成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）中得到直接應用。

電流鏡是電流控制電流源，下圖是其示意圖。其中I是由外部給定的基準電流，而I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、I對I的跟隨精度以及它對電源電壓和溫度的靈敏性等。

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N是輸入節點，它是能接受一種極性電流I的輸入端；N是輸出節點，它是能提供輸出電流I的輸出端，I是I的複製（拷貝），即I與I流向相同，數值相等，也可以說I跟隨I；N是公共節點，這個節點中的電流是I與I之和。

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I應基本與節點N的電壓V無關，V允許被偏置到與公共節點N相差幾百毫伏到幾伏的任何電位，即N節點的增量輸出電阻或稱交流小信號輸出電阻r（更通用應為交流輸出阻抗Z）應該很高，理想時為無窮大。

②輸入節點N的直流電壓V應當很小，通常比公共節點N相差幾百毫伏，而且電壓V基本上與輸入電流I的增量變化無關，即小信號交流輸人電阻r（更通用為交流輸人阻抗Z）應相當低，理想時為零。

③電流傳輸比M=I/I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。在信號傳輸通路的應用中，理想電流鏡電流傳輸比M的幅頻響應和相頻響應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。

在實用電流鏡中，輸人電流I通常叫作基準電流，用I表示；輸出電流用I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V供電，I和I分別流人節點N、N；負極性電流鏡用PNP或P溝MOS管組成，由負極性電源V供電，I、I分別自節點N、N流出。

雙極型基本電流鏡

下圖是由兩個NPN晶體管組成的雙極型基本電流鏡。T是輸入管，它的B、C極短接作為輸入端，輸入節點N與公共節點N之間是T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。T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I可用兩種方法來實現，下圖（a）的I是經電阻尺和正電源獲得，I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I由一個電流源直接提供，常用於電流信號的複製。

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。M與M兩管的襯底與源短接，所以不存在體效應。M作輸入管，其柵、漏極短接，V=V>V-V，所以T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。T作輸出管，只要V>V-V，T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。

Widlar電流鏡

在集成電路中，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，雙極型晶體管T、T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I不能太小，否則電阻R值太大。例如，設I=10μA，I=100μA，當Vcc=15 V時，R=150kΩ，這樣大的電阻所佔晶元面積是很大的。

Widlar是一種適宜產生小電流的電流鏡，其電路如下圖所示。在T的發射極上串入小電阻R，使T的V小於T的V。通過改變R的電阻值，可以改變I與I之比，並獲得小電流輸出。

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T、T串聯，輸出端一側為T、T串聯。T、T都是B、C極短接，使得I輸入端呈現低輸入電阻。T、T的B、C極都不短接，使I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T管的輸出電阻r=r代替了無源電阻R，因為r比R大，所以可進一步提高電流鏡的輸出電阻。

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晶體管匹配程度的限制。令人遺憾的是，在廣泛應用的CMOS集成電路中，MOS管電流鏡的精度難以達到很高，這是由於MOS晶體管的閾值電壓失配值和1/f雜訊值偏大而造成的。

徠能否在不要求晶體管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晶體管的動態存儲性能，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，僅使用一個晶體管實現電流複製，這個晶體管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。因為僅用了一個晶體管，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，它由一個晶體管M、一個存儲電容C和三個開關S、S、S真組成。電流源I代表欲複製的信號電流（基準電流），三個開關都是用MOS晶體管實現的。

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複，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，S、S接通，S斷開，電流源I將輸人電流饋送到D、G短接的MOS晶體管M，使柵極存儲電容C充電，並使M導通。當達到平衡時，電容C充電到使晶體管電流I=I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，M作電流鏡的輸入晶體管。

電流複製過程如上圖（b）所示，S、S斷開，S接通。在S斷開之後，電容C上記憶著柵極電壓，因此M的漏極電流仍然等於輸入電流I。當S斷開和S閉合時，輸出端的負載可得到存儲的漏極電流I，在這個過程中，M作電流鏡的輸出晶體管。

上圖（c）給出了相應的時鐘相位，為了避免電容C放電，S應在S斷開和S接通之前斷開。