自偏置电流镜设计实例

一、概述

众所周知，电流镜属于模拟电路设计中的一个基本模块，可为其他模块提供偏置电流，例如在放大器中提供偏置电流以形成尾电流源并确定直流偏置点。本文将会介绍一种自偏置的电流镜，从原理出发，并以0.18um的工艺进行设计和仿真。

二、原理

如图一所示的电路，也称之为Beta-multiply reference电路，其中M2的尺寸是M1的k倍。M3复制M4的电流，M2和M1的漏极电流相同，但是V_GS并不相等。其中
VGS=2IμnCoxW/L+VTHV_{GS}=\sqrt \frac{2I}{\mu _{n}C_{ox}W/L}+V_{TH} VGS=μnCoxW/L2I+VTH
M1、M2满足
VGS1=VGS2+Iref⋅RV_{GS1}=V_{GS2}+I_{ref}\cdot R VGS1=VGS2+Iref⋅R
所以得到了参考电流的表达式
Iref=2R2μnCoxW/L(1−1k)2I_{ref}=\frac {2}{R^{2}\mu_{n}C_{ox}W/L}(1-\frac {1}{\sqrt k})^2 Iref=R2μnCoxW/L2(1−k1)2
可以看出，参考电流与工艺参数、电阻和MOS管尺寸比例有关，所以合理的选择电阻值和MOS管尺寸及比例就能得想要的参考电流。

图一

图一的电路会经常拿来与图二的电路相比较。这两个电路看似很像，但有实质性的区别，图一的电路因为电阻的加入衰减了环路增益而变得稳定，而图二的电路不稳定。两者都是利用正反馈来得到参考电流，通过在P点或者N点断开环路并加独立源来分析环路增益，可以发现图一所示电路的环路增益小于一，而图二所示的电路环路增益大于一，导致不稳定的正反馈，所以图二所示的电路无法提供稳定的参考电流。

图二

对于图一所示的自偏置的电流镜，会存在另一个稳定的状态，那就是“零电流状态”，换言之，就算提供了电源电压，电路两边流过的电流可能为零，这依然是一种稳定状态，可以草率的理解为“简并”态。因此，我们需要一个“刺激电路”，旨在将电路拉离“零电流状态”，我们称之为启动电路(start up ciucuit)，启动电路在初始时将电路启动，产生一个参考电流，主电路正常工作时启动电路应该不影响主电路。如图三所示为加了简单的启动电路的电流镜。

图三

初始时，M3、M4、T3的栅极电压接近Vdd，M1、M2、T2栅极电压接近于地，因此，T1导通并传输M3栅极到M1栅极的电流，此时电路脱离零电流状态，开始进入工作点；工作时，Vbiasn将T2导通，因为T2的宽长比远大于T3，所以在流过同样电流的情况下，T2的漏极电压将会很低，使得T1截止，所以启动电路此时不影响主电路的工作状态。

我们非常关注此电路对电源电压的敏感性，通过分析我们知道参考电流对电源电压的敏感度依赖于MOS管的输出阻抗，输出阻抗越大，敏感性越低。对于长沟道的MOS管来说，输出阻抗比较大，而对于短沟道的MOS管输出阻抗比较低，所以在电源电压变化使参考电流会出现不稳定的情况，为了减小敏感度，我们需要减小VDD变化时所引起的NMOS管漏源电压的变化。
如图四所示，加一个放大器用来钳位M1、M2的漏极电压，此时形成了一个串联负反馈，增加了M2的输出阻抗，增加的放大器也称为辅助放大器(Auxiliary amplifier)。

图四
具体的电路实施如图5所示。

图五

三、实例仿真

图六

在0.18µm的工艺下搭建我们之前讨论的电路，设计一个与VDD变化不敏感的参考电流源，参考电流为20µA，VDD为1.8V。计算相关参数，用gm/id法设计并搭建图三所示的电路如下图六所示。
我们得到了一个20µA的电流源，接着测试此参考电流对电源电压变化的稳定性，设置电源电压从0到2.5V，得到如图7所示的仿真曲线。

图七我们可以看到参考电流对电源电压变化比较敏感，达到了3.7µA/V，这是一个不小的数值，我们接着搭建图五所示的电路，验证增加放大器的效果，如图八所示，我们从仿真曲线上可以看到效果不错，敏感度减小到了3.26nA/V。

图八

四、总结

本文讨论了一种自偏置电流镜电路，这种电流镜可以在一些没有基准源的电路中为一些模块提供电流偏置，介绍了启动电路用于让电路正常工作和改善对电源电压敏感性的增益提高电路。以0.18µm工艺进行实例设计并仿真，验证了电路设计。