一種高精度寬電流范圍電流鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及電流鏡，尤其設及一種高精度寬電流范圍電流鏡。
【背景技術】
[0002] 在模擬電路中，經常使用電流鏡產生電路偏置電流、負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，且只考慮一階效應的MOS管 的源漏電流公式如式（1)所示。相鄰的MOS管其y"、C"和VTH都是相同的，由公式（1)知 道，如果VGS相同，則兩個MOS管的漏源電流ID只和W/L成比例。如圖1所示的電流11和 12與Iref成比例。
[0003] 但是MOS管都存在二級效應，溝道長度調制效應。就當柵和漏之間的電壓差增大 時，實際的反型溝道長度逐漸減小。也就是說，當工作在飽和區的兩個MOS管VGS相同，但 是VDS不相同，則實際上兩個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，出現了圖2所示的電流鏡像電路。
[0004] 但上述都是工作在飽和區的MOS管進行電流鏡像。MOS管工作在飽和區的條件如 式（3)所示，為工作于飽和區VGS必需低于VDS+VTH。由式（2)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。同時為保證工作于飽和區，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的電流鏡具有較大的功耗。如果要降低VDS電壓，則要相應地降低 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對輸出鏡像電流大的 電流鏡采用工作于線性區的電流鏡可W大幅降低輸出功耗。同時如式（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。
[0007] MOS管工作在飽和區的條件；
[0008]V,s<V"s+V,H(3)
[0009] MOS管工作在線性區的條件；
[0012] 而且由式（2)和式（5)知道，無論工作于飽和區還是線性區的電流鏡，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和線性區的電流鏡其電流鏡像精度的影響因子。由式 似和式（5)知道決定源漏電流ID的因素有y"、C"、VTH、W/L、VGS、VDS。其中y。是載流 子遷移率，由工藝決定；C。,是單位面積的柵氧化層電容，由工藝決定；VTH是M0S管的闊值 電壓，由工藝決定，隨L和襯底電壓有細微變化。W/L、VGS、VDS是電路設定值。y濟C"因 素對源漏電流ID的影響程度對于飽和區和線性區的電流鏡都是相同的，不受電路設計控 審IJ。VTH的影響因素雖然由工藝決定，但對飽和區和線性區的電流鏡影響程度不相同。下面 分別對VTH、VGS和VDS影響因素進行討論。
[0014] VTH對電流鏡像的影響；
[001引工作于飽和區和線性區的M0S管源漏電流ID分別對VTH求導得：
[002U 由于飽和區VGS-VTH<VDS，而在線性區VGS-VTH〉VDS。因此有；
[0024] 所從在線性區VTH變化引起源漏電流ID占比變化要小于在飽和區VTH引起電流 ID的變化。
[0025] 雖然同一個巧片的NM0S的VTH偏差較小，但仍然會存在偏差。所W工作在線性區 的電流鏡可W提高電流精度。特別是對于電流鏡像比例值較大的電流鏡，工作于線性區的 電流鏡受工藝的VTH影響更小。
[0026] VGS對電流鏡像的影響；
[0027] 式似和式妨分別對VGS求導得：
[002引飽和區公式：
（12)
[0033] 同樣由飽和區VGS-VTH<VDS，線性區VGS-VTH〉VDS式子得到；
[0036] 所W在線性區VGS電壓變化所引起的電流變化量小于工作于飽和區。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NMOS管的所處在的地端電壓一致也會導致MOS的源端電壓不 同，引起電流鏡中VGS不相同。
[003引 VDS對電流鏡像的影響；
[0039] 飽和區；
[0040]
[0042] 飽和區的溝道調制系數A很小，遠小于1，溝道越長A越小。
[00創線性區中VGS-VTH〉VDS，其中VGS越大，式（19)中的系數越接近1。所W:
[0044]
(20)
[0045] 綜上所述，工作于飽和區的電流鏡的電流鏡像精度相對工作于線性區的電流鏡更 易受VTH和VGS因素的影響，更易受工藝和版圖匹配的影響。而工作于線性區的電流鏡對 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提高工作于線性區的電流 鏡的電流鏡像精度的首要任務是保證電流鏡輸入輸出管的VDS電壓盡量相等。
[0046] 申請號為201010238706.3的中國專利《一種自適應的電流鏡》提出了一種工 作于線性區的自動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 于線性區的MOS管進行電流鏡像，AMP1-3的作用是限定NM1-NM12的MOS管的VDS電壓，讓 其等于參考電壓化ef，實現電流鏡像。因為由式（4)知道相同工藝的情況下^。、(；,、￥^參 數相同，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。 同時由線性區漏源電流公式（4)知道，VDS-定情況下，VGS電壓反應了漏源電流ID(電路 中為Iref)的大小，通過判斷VGS電壓，判斷電流的大小，從而切換相應的開關SW1-9動作， 實現電流檔位切換。
[0047] 該電流鏡采用工作于線性區的MOS管進行電流鏡像，可W有效的降低電流鏡輸出 端的最小電壓，同時還可W通過切換電流檔位在較大電流鏡像時提高電流鏡像精度，從而 擴展了電流鏡像范圍。但該電流鏡仍然存在不足之處，是其檔位切換開關SW1-9放置在MOS 的漏端進行互連。由公式（4)可W知道，工作在線性區的MOS管，其漏源電流ID與VDS成 二階關系，也就是工作在線性區的MOS管其漏源電壓VDS變化一點，其漏源電流ID發生較 大的變化。由于開關SW存在內阻，當開關閉合時，電流流過開關偏會產生壓降AV。設開關 SW阻抗為R，則NM6上的VDS電壓等于化ef-R*(Il+I2+I3)。化ef-般為幾百mV，I1+I2+I3 一般會有幾十mA，開關SW阻抗R若存在1歐姆的阻抗（NMOS管面積約50um*100um)則對 NM6的VDS電壓產生幾十mV(約10% )的影響。因此開關SW對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1C中，開關SW-般采用MOS管來實現，若想減 小開關SW的內阻來減小輸出電流精度的影響，則需要大幅增大開關SW的M0S管面積，而且 開關SW的個數較多時，開關SW所占巧片面積極大，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鏡像精度差，而且版圖面積大的缺點，導致該電流鏡電路 沒有應用價值。
[0048] 在現有的多通道輸出的L邸恒流驅動電路中，其輸出電流大小由一個外掛電阻產 生的輸入電流通過比例電流鏡產生，輸出電流大小和精度受比例電流鏡影響。而現有技術 中工作在飽和區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 性區的電流鏡，由于VDS電壓偏差而導致電流精度損失，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 在線性區的電流鏡如W/L、和VDS保持不變，則鏡像電流ID與VGS成正比，也就是ID變大 時，VGS也會變大。但是VGS最大只能達到電源電壓VDD。因此當ID變大使得VGS變大接 近VDD時電流鏡的電流鏡像能力大大降低，無法提供準確的電流鏡像能力。通常的解決方 法是采用切換W/L大小，當ID過大，使得VGS接近VDD時，增大電流鏡的W/L值，從而降低 VGS電壓，也就是設置電流鏡檔位。而增大電流鏡的W/L值的方法通常是采用M0S開關的方 式并接入更多的M0S管。因此為滿足不同的輸出電流需求，其通常做法是巧片擁有電流檔 位切換功能，可W根據輸出電流的大小自動切換內部電流鏡工作數目，W保證輸出電流可 W保持較高精度。但是現有的自動切換電流鏡技術仍然存在缺陷和需要改進在地方。為進 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，提出本發明。

【發明內容】

[0049] 為實現較低的輸出電壓、高的電流鏡像精度、寬的電流鏡像范圍和盡量小的版圖 面積，本發明提供了一種高精度寬電流范圍電流鏡，采用可W電流檔位切換的工作于線性 區的電流鏡，通過改進電流鏡電路，提高VDS電壓精度，從而提高電流鏡像精度，拓寬電流 鏡像范圍。
[0050] 本發明提供了一種高精度寬電流范圍電流鏡，包括參考電流輸入部分、電流檔位 判斷與控制邏輯、鏡像電流輸出部分；所述參考電流輸入部分