电流镜的原理及应用毕业论文.doc

目 录摘要1关键词1Abstract.1Keywords11 绪论21.1引言21.2本文研究的目的和意义22 电流镜的基本理论32.1 电流镜概述32.2 基本电流镜42.2.1 第一代电流传输器CCI52.2.2第二代电流传输器CC62.2.3第三代电流传输器CC82.2.4第二代电流控制电流传输器(CCC)103 电流传输镜的研究133.1 电流传输器的国内外研究现状133.2 新近发展中的CM技术153.2.1 可变增益CM153.2.2 电流复制单元(CCC)163.2.4 开关电流镜(SICM)174 CM在电流模式电路中的应用174.1 电流模式有源器件174.2 电流模式信号处理电路174.4 电流模式数据转换194.5 CMOS CM 在差分运放电路中的应用194.6 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路205 总结20参考文献21致 谢22电流镜的研究与应用摘要：本文主要讨论和研究了CMOS电流控制传输器的基本原理及改进。CMOS电流控制传输器无论在信号大或小的情况下，都能比相应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而且电流控制电流传输器还具有电可调特性。因此本文提出一种基于共源共栅电流镜的CMOS电流控制电流传输器电路。该电路由跨导线性环电路和共源共栅电流镜构成。相对于基于基本电流镜的CMOS电流控制电流传输器，该电路具有输出阻抗更大以及电流传输精度更高的优点。文中通过分析两种电路的工作原理，比较了两种电路的性能优劣。最后，文章对目前电流镜的应用及新发展的技术做了简单的介绍。关键词：共源共栅；电流镜；电流控制；电流传输器The Research and Application of Current MirrorsLiao Yilong(Hunan Institute of the Humanities Science and Technology Hunan Loudi 417000)Abstract：The paper studies the principle and improvements of CMOS current controlled conveyor. Regardless of the size of the signal, CMOS current controlled conveyor always provides higher voltage gain under wider bandwidth than the corresponding bandwidth operational amplifier and has the power adjustable features.The circuit used widely by scholars is the traditional CCC proposed by Fabre and it consists of translinear loop and the basic current mirror circuit.However, the weakness of the basic current mirror circuit is low transmission precision, low output impedance and no current negative feedback circuit. Therefore，the paper presents a CMOS current controlled current conveyor based on cascode current mirror. The improved CCC circuit is constructed by a translinear loop and cascade current mirror. Compared with CCC based on the basic current mirror, the improved CCC circuit has the following merits: high output impedance, high current transfer accuracy. Performance principle of the circuits is analyzed and experiment results are given. The results of experiment verify the feasibility of the improved CCC.Keywords:Cascode；Current Mirror；Current Controlled；Current Conveyor1 绪论1.1引言在当今信息时代，信息技术己深入到国民经济的各个领域，人们在日常生活中无处不体会到信息技术带来的变化。信息技术的基础是微电子技术，而集成电路是微电子技术的核心，是整个信息产业和信息社会最根本的技术基础。在社会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路芯片的作用也越来越重要，无论移动手持设备还是不断升级的笔记本电脑，集成电路芯片都被广泛应用。集成电路设计和制造水平无疑已成为衡量一个国家技术水平的一个重要标准，同时成为一个国家经济实力和国防实力的一个重要标志。近二十年来，以电流为信号变量的电流模式电路的巨大潜在优势逐渐被各国科学家发现并挖掘出来，促进了模拟集成电路朝低电压、低功耗等方面的发展。而电流传输器是目前电流模式电路中使用最广泛、功能最强的标准模块。1996年，A.Fabre在电流传输器的基础上提出了电流控制电流传输器的基本理论1。电流传输器不仅有电压输入端，而且有电流输入端，因此它能实现电压模式电路，也能实现电流模式电路。电流传输器无论在信号大小的情况下，都能比相应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而且电流控制电流传输器还具有电可调特性。CMOS工艺由于具有输入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面积小、抗辐射能力强等特点，正日益成为最广泛应用的集成电路设计工艺。因此，应用CMOS工艺设计电流传输器及电流控制电流传输器引起了越来越多的关注。同时，基于电流传输器的优点和易于和其他电子元件组合构成应用电路的特点，电流传输器被广泛的应用于各种模拟滤波器的设计。1.2本文研究的目的和意义1996年法国学者Fabre在CC的基础上提出了CCC电路，CCC电路不仅具有电控性，而且把X端的寄生电阻纳入到端口特性中，从而减小了电压跟踪误差。但到目前为止，国内外学者所采用的电路普遍为Fabre提出传统CCC，该电路由跨导线性环电路和基本电流镜构成。然而传统CCC存在的不足是基本电流镜电流传输精度较低、输出阻抗较低及没有电流负反馈电路。因此本文提出一种基于共源共栅电流镜的CMOS电流控制电流传输器(CCC)电路。该电路由跨导线性环电路和共源共栅电流镜构成。相对于基于基本电流镜的CMOS电流控制电流传输器(CCC)，该电路具有输出阻抗更大以及电流传输精度更高的优点。其次，尽管利用共源共栅电流镜取代基本电流镜很大程度地改善了CMOSCCC的性能，但是无论基于基本电流镜还是共源共栅电流镜的CMOSCCC都是通过使用偏置电流来调节X端的寄生电阻。然而这个寄生电阻分别和双极技术中的热电压成正比以及CMOS技术中的表面迁移率()成反比。这就意味着基于电流控制电流传输器的电路特性将受到绝对温度的影响2。在双极技术中，我们可以通过使用偏置电路来解决这个问题，其中的原理就是产生一个和热电压直接相关的电流。但是这个技术不能够使用在CMOS技术中，这就意味着基于电流控制电流传输器的电路特性将受到绝对温度的影响。因此本文针对于目前CMOS电流控制电流传输器(CCC)中普遍存在的温度依赖性问题，提出一种新的温度补偿技术。这种技术主要使用电流偏置电路和分流电路来为CCC产生偏置电流，其中偏置电路中的电流和Cox成正比，很好地解决了RX温度稳定性，从而降低了电路的温度敏感度。而且我们所提出的电路仅仅使用CMOS和一些外部电压以及电流源，因此电路能够很容易地集成到一个芯片上。2 电流镜的基本理论电流镜(Current Mirror)是一种信号处理的标准部件，同运算放大器、电流传输器、电流反馈放大器一样，使用在模拟和数模混合模式VLSI电路中。它能将电路中某一支路的参考电流在其它支路中得以重现或复制3。由于其电流复制能力，它常被用来构成模拟集成电路和器件中支流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最为广泛的电路技术之一。2.1 电流镜概述电流镜是模拟集成电路中最基本的单元，利用电流镜可以构成电流模式的基本模块电路，如电流模式传输器、微分器、积分器等，也可以构成电流模式集成电路，如连续时间滤波器、A/D 转换器等。一个电流镜至少要有三个端子，如图2-1所示，图(a)是电流镜示意图，图(b)是电流镜的代表符号。图中I0端连接电源或者地，I1为镜源，I2为镜象，输入输出关系为：I2=MI1。其中M为镜象比系数，它与电流镜内部的晶体管参数的沟道尺寸有关。实用电流镜应该具有以下三点基本性能：（1）、输出支路电流I1基本与节点N2的电压V2无关,V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏到几伏的任何电位，即N0节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻 (更通用应为交流输出阻抗)应该很高，理想时为无穷大。VddN1N2N0I0I1I2V1V2(a)示意图I0I1I2(b)代表符号M1M2I2I1inioutVss(c)基本电流镜电路图2-1 电流镜基本概念（2）、输入节点N1 的直流电压V1应当很小，通常比公共节点N0 相差几百毫伏，而且电压V1基本上与输人电流I1的增量变化无关，即小信号交流输入电阻(更通用为交流输入阻抗)应相当低，理想时为零。（3）、电流传输比M=I2/I1应该尽可能接近于1，而且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的应用中，理想电流镜电流传输比M的幅度和相位应该与信号的频率无关。2.2 基本电流镜1968年，加拿大学者K.C.Smith和A.Sedra提出了一个新的模拟标准部件一电流传输器(Current Conveyor，简称CC)。电流传输器是功能很强的基本模块，将电流传输器与其他电子元件组合可以十分简单地构成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理功能。电流传输器是一种电流模式电路，模拟电子技术中的几种最基本的信号处理功能(加/减、比例、积分等)用电流传输器都能方便的实现。而且，电流传输器具有电压输入端和电流输入端，因此，利用电流传输器可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方便地实现电流模式信号处理电路。无论信号大小，基于电流传输器的电路都能比相应的基于电压运算放大器的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带宽积。按照其发展先后及端口的电流、电压特性，电流传输器可以分为第一代电流传输器(Current Conveyor，简称CCI)、第二代电流传输器(second-Generation Current Conveyor，简称CC)、第三代电流传输器(Third-Generation Current Conveyor，简称CC)及第二代电流控制电流传输器(Second-Generation Current Controlled Conveyor，简称CCC)。对每一种电流传输器来讲，根据其端口电流的方向，又可以分为正极型与负极型两种类型。2.2.1 第一代电流传输器CCI（1）第一代电流传输器(CCI)的电路符号及端口特性(2-1)K.C.Smith和A.Sedra在1968年提出了第一代电流传输器(CCI)4。第一代电流传输器是一个三端口器件。它有两个电流输入端和一个电流输出端，分别用X、Y、Z表示。CCI的输入与输出端口特性可用矩阵式(2-1)所示。若IZ=+IX，则称该电流传输器为CCI+；若IZ=-IX，则称该电流传输器为CCI-。在电路符号图2-2(a)中，若IZ和IX都向里流或都向外流，则代表CCI+，若一个向里流，一个向外流，则代表CCI-。图2-3(b)是用零子(Nullator)、极子(Norattor)和两个电流控制电流源表示的等效电路6，零子和极子属于单端对理想有源器件，它们单独存在时不能物理实现，只有把它们组合在一起成为零极子(Nullor)方能实现，构成一种二端有源器件。零子的电特性为：流过的电流为零，两端的电压相等；极子的电特性为：流过的电流为任意值，两端的电压为任意值，也称为“任意子”。显然，零子表示VY=VX，即X端和Y端存在“虚短”的关系，它们的电位相等，但不能进行电学的短路连接。两个受控源用来表示把X端电流复制到Y端口和Z端口，而流过零子的电流为零，所以IY=IX，另一个电流控制电流源则表示IZ=IX。CCYXZIYIXVXVYIZVZ（a）CCI+电路NullatorNullatorYXIZI图2-2 CC的符号和零极子表示方法（b）CCI-电路I（2）CCI的基本电路实现图2-3所示为一种基于双极互补集成工艺的CCI实现电路。其中T1T4可看作TL(线性跨导)回路；T5T7是PNP管基本电流镜；T8T10是NPN管基本电流镜。YXZT8T2T3T1T4T5T6T7T10T9VEE图2-3 第一代电流传输器的双极性甲乙类实现2.2.2第二代电流传输器CC（1）第二代电流传输器(CC)的电路符号和端口特性(2-2)与第一代电流传输器相比，第二代电流传输器(CC)的特点是Y输入端口没有电流流入。这是Smith和Sedra在1970年通过对CCI的特性加以改进而提出来的，其目的是增加电流传输器的通用性。CC的输入与输出端口特性可用矩阵式(2-2)所示:IZ=+IX，表示CC+；IZ=-IX，表示CC-。由该方程可见，CC的Y输入端口具有高输入阻抗特性(M级)；X端口电压跟随Y端口电压且输入电阻很小(VDS3时，增益大于1；当VDS4=VDS3时，增益小于1；当VDS4VDS3时，增益等于1。为了提高CM的输出阻抗，图3-1的电路也可采用Cascode结构。3.2.2 电流复制单元(CCC)传统的CM要求MOS管精确匹配，因而将产生失配误差。Daubert等人提出采用单个晶体管的电流复制单元的新概念，克服了上述不足。图3-2是工作原理图。当开关S1，S2闭合，S3断开时，电流源馈入电流Ir给M1和电容C，电容充电使Vc保持，M1获得电流Ir。当开关S1和S2断开，S3闭合，电容电压Vc保持原来充电电压不变，并加在M1，栅极上，使Ml复制Ir电流，并输出给负载，从而完成CM电流复制功能。eIrI0TOUTTineeTdmTimCrC0图3-3 动态CM3.2.3 动态CM 技术电流复制单元获得间断的复制输出电流，并可应用于A/D和D/A转换。然而，实用动态电流镜要求连续输出电流，因而至少需要两个电流源，这可用图3-3的动态CM技术来完成。该电路工作原理类似于图3-2的电路图，但它在两时钟相期间均复制输入电流。动态CM已被应用于A/D和D/A及神经网络中。3.2.4 开关电流镜(SICM)M1M2iJAJioIAS图3-4开关电流镜在传统的CMOS CM晶体管间加MOS时钟开关隔离，就构成了开关电流(SI)CM，如图3-4所示。其工作原理与电流复制单元和动态CM相似，所不同的是，SICM可实现比例增益镜。它与连续时间CM不同，SICM及动态CM 具有记忆电流的功能，可完成信号的延时运算，SI技术是近几年出现的一种新的模拟采样数据信号处理技术，该技术采用了数字CMOS工艺，适合于混合模数系统，其基本单元电路便是SICM。4 CM在电流模式电路中的应用4.1 电流模式有源器件信号处理的基本要素是有源器件。电流模式有源器件因电流反馈带来的精度、带宽等优良的性能，近年来获得了较大的发展，其中，CM起着核心部件的作用。可以说，没有哪一种电流模式器件不使用CM技术。目前，几种常用电流模式器件包括:电压电流转换器，电流跟随器，电流传送器(CC)，电流模式跨阻放大器，运算跨导放大器(OTA)，电流模式运算放大器等。利用这些有源积木块可构成各种信号处理电路，特别是CC和OTA，近几年在连续时间电路技术领域是十分活跃的研究方向。4.2 电流模式信号处理电路电流模式电路是一种以电流作为信号处理有源参数或变量的电路。新近的研究表明，以电流模式有源器件为基础的电流模式电路在电路性能方面有优于电压模式电路之处。目前使用CM技术的电流模式电路包括:i011111111KM1M2M3M4M5i1JJJJKJABI2is图4-1 连续时间CM积分器(a)连续时间电流模式电路利用CM的栅极电容和MOS管跨导gm完成滤波器中的阻容时间常数，可直接用CM作为有源积木块，应用于电流模式电路设计。图4-1是由CM构成的连续时间电流差分积分器，分析可得: I0=K(gm3/SC2)(i1-i2) (4-1)可见，它完成了差分输入的积分器功能。利用这种积分器，可模拟LC梯型网络。（b）SI滤波器 用开关电流镜可构成SI积分器，图4-2是第一代SI通用积分器，其电路方程为：(4-2)A1.1A2.2A3.3BJJJio1 : 1 : B图4-2 第一代SI积分器利用该通用积分器，可实现 各种形式的SI滤波器。4.3 电流模式神经网络神经网络是本世纪末发展最为迅速的交叉学科。用电流模式电路技术实现神经网络是近年来引人注目的研究方向。目前，电流模式神经网络技术包括:跨导一电容神经网络；SC与SI神经网络；MOS VLSI技术实现神经网络等。CM除了构成电流模式有源器件应用于神经网络实现之外，它还可直接用作阑值处理单元，用于神经信号处理运算。4.4 电流模式数据转换信号处理存在两种方式:模拟信号与数字信号。在许多模数混合IC系统中，这两种信号处理系统之间必须配以接口，以完成A/D和D/A功能。目前，采用CM技术的动态电流技术已用来实现A/D和D/A转换电路，几个精确的二分电路在文献中已提到过了。4.5 CMOS CM 在差分运放电路中的应用在测量设备中，常需要高输入电阻的集成运放，其输入电流小到10pA以下，对电流的精确度要求较高，因此多使用电流镜来提供运放的偏置电流和作为差分对管的有源负载。图4-3 二级差分运放电路UiM1M2M7M4M3M5M6C1IrRUoM85VV10VDD图4-3所示是一个两级放大电路的原理图，该原理图中的偏置电路和运放电路均含电流镜。图中的管子全部为增强型MOS管。M1、M2和M7管构成比例电流源。外接电阻R和M1管组成该差分运放的偏置电路，用于提供偏置电流I r。在已知M1 管开启电压的前提下，利用外接电阻可以求出基准电流Ir，一般Ir取值范围为20200A。根据M1、M2和M7管的结构尺寸，可以得到M2与M7管的漏极电流，它们为放大电路提供静态电流。该电路为两级放大电路。第一级是以P沟道管M3和M4为放大管、以N沟道管M5 和M6 构成的电流源为有源负载，采用共源形式的双端输入、单端输出差分放大电路。其输入级的有源负载使单端输出电路的动态输出电流近似等于双端输出电路时的输出动态电流。由于第二级电路从M8的栅极输入，其输入电阻非常大，因而带负载能力不高，是为高阻抗负载而设计的，适用于以场效应管为负载的电路。电容C起相位补偿作用。电流源直流电阻很小和交流电阻很大，因此被广泛应用于共射极放大器、共集电极放大器和差动放大器等电路，使得放大器每级的增益相当高，并使其它性能指标得到改善。4.6 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路电流源要得到较理想的输出电流，必须有性能优良的偏置电路对它进行偏置。结合共源共栅电流镜结构，设计了一个高输出摆幅、高输出阻抗恒流源偏置电路，如图4-4所示。M1M3