深入理解电流镜：从基本原理到优化设计
深入理解电流镜：从基本原理到优化设计
电流镜是模拟集成电路中的重要组件，用于产生稳定的电流源。本文将详细介绍电流镜的基本原理、电路结构、仿真结果以及共源共栅电流镜和低压共源共栅电流镜的改进方案。
一、基本电流镜
1. 概述
在模拟集成电路中，电流源十分重要，可以采用一个MOS管来充当电流源，但是MOS管的栅极电压产生是一个很严重的问题。最简单的可以通过电阻分压的方式来产生一个栅极电压：
但是这样会存在一个很严重的问题：Iout会严重的收到P（工艺）V（电压波动）T（温度波动）的影响。所以依靠这种方式产生栅压是不适合的。
在电路中，通常有一个设计好的基准电流源（电流随PVT波动的幅度很小）其他电流都是基于对这个基准电流的精确复制
2. 电路结构
如图为一个典型的电流镜结构：Iref——>VGS——>Iout
一般地，要保证电流镜结构精确复制，晶体管要选择相同的栅长，而对于电流的成倍改变，只需要成倍改变晶体管的栅宽。
但是，在版图设计中，栅宽的加倍也存在问题：即如果设计栅宽变为2倍，由于有拐角的存在，有效栅宽并不能精确的变为原来的两倍。所以我们采用将两个晶体管并联的形式来等效加倍栅宽。
晶体管并联：等效为栅宽加倍
晶体管串联：等效为栅长加倍
同样，我们也可以实现0.5倍的Iref
缺点：上述考量都是忽略了沟道长度调制效应，若考虑沟道长度调制效应：
式中：VDS1=VGS1，而VDS2是有负载用户所决定的，取任意值都可以，所以从上式可以看到：由于沟道长度调制效应的影响电流并不能精确复制。这是普通电流镜的一个很严重的问题
3. 电路仿真
搭建一个基本电流镜，实现2倍的基准电流复制
显示电路的静态工作点如下：在输出电压为1.65V时，可以看到电流并不是很精确的复制。
VGS0=VDS0=VGS1=863.332m
VDS1(sat)=VGS1-VTH1=77.49m
进行DC仿真，将输出电压从0~3.3V进行扫描仿真，显示电流镜的输出电流结果如下：可以看到在输出电压大于198m后电流基本可以实现2倍复制，但是复制并不是很精确，且输出电流随电压的变化而变化。
产生以上问题的原因仍然是沟道长度调制效应，我们继续加大晶体管的沟道长度。而且为了使输出点有较大的电压余度，要让VGS0-VTH尽可能小。因为通过M0的电流是一定的，所以我们让M0的宽长比大一些。修改之后的电路图如下所示，但是这样修改又会造成版图的面积增大。
显示1.65V下的静态工作点以及输出电流的仿真曲线：电流的复制比之前精确的一些，输出电压的裕度也比之前大了一些。
补充：如果将沟道长度调的非常小的话，电流基本不会按照预想的复制，而且随电压变化的幅度很大：
二、共源共栅电流镜
1. 基本原理
为彻底解决电流不能精确复制的问题，引入了共源共栅（cascode）电流镜
如图（a）使用共源共栅结构，利用其很大的输出阻抗，当P点的电压波动很大时，Y点的电压波动很小。
一般来讲，要减少沟道长度调制效应的影响，对于M1和M2的沟道长度要选择尽量选择较大的值，
这是因为电流复制主要由M1和M2决定，而对于M0和M3沟道长度的选择，出于面积和输出电压裕度的考虑，要求变得宽松了很多，事实上M0和M3在设计时甚至可以采用工艺允许的最小沟长。
2. 电路优缺点
（1）优点：精确复制
可以抑制沟道长度调制效应对于电流复制的影响，实现电流的精确复制，并且输出电流随电压的变化幅度很小。
（2）缺点：电压裕度的浪费
3. 电路仿真
搭建一个共源共栅电流镜如下图所示，实现2倍的基准电流复制。
对于M3和M2则不需要太大的沟道长度，为了节省面积，选用最小的沟道长度。
显示电路的静态工作点如下：在输出电压为1.65V时，可以看到电流基本实现精确的复制。
X点的电压和Y点的电压分别为0.786V和0.784V，近似相等。
进行DC仿真，将输出电压从0~3.3V进行扫描仿真，显示电流镜的输出电流结果如下：可以看到在输出电压大于858mV后电流基本可以实现2倍复制，而且复制基本精确，且输出电流基本不随电压的变化而变化。与计算结果相符。
为了提升输出电压的摆幅，可以考虑提升M2的宽长比，从而减小M2的VGS，那么M2的栅压Vb也被减小，故输出电压的最小值也减小，电压裕度得到提升。
以下是电路的直流工作点，可以看到M2的栅极电压确实减小为1.74V。
X点的电压和Y点的电压分别为0.786V和0.792V，近似相等
由下图可以看到，输出端的最低电压确实被减小了，约为0.726V，当电压大于这个值后，电流可以实现精确复制。
注意：晶体管的宽长比和沟长也不能调的太大，否则在面积、噪声、速度、寄生等方面性能均会下降
三、低压共源共栅电流镜
虽然共源共栅电流镜可以使电流精确复制，但是其电压裕度问题确不可以忽略，所以为了解决这个问题，设计出了低压共源共栅电流镜。
1. 基本原理
又因为要保证电流的精确复制，所以M1和M2漏端电压要相等。
而Vb的产生也是需要设计的有两种方法：
显然图（c）的方法更为合适，上述电流镜由于在共源共栅结构中引入了电阻，所以其易受PVT的影响，为此要尝试设计其他结构的低压共源共栅电流镜。通过如下结构来实现新的低压共源共栅电流镜：
2. 电路仿真
搭建一个低压共源共栅电流镜如下图所示，实现2倍的基准电流复制。
对于M3和M2则不需要太大的沟道长度，为了节省面积，选用最小的沟道长度。
Vb的产生电路：由VGS4模拟VGS2、由VGS5模拟VGS0、由大尺寸的VGS6模拟VTH0
电路的直流工作点如下：电路确实实现了两倍基准电流的复制
M2和M3的栅压确实约等于0.943V
进行DC仿真，将输出电压从0~3.3V进行扫描仿真，显示电流镜的输出电流结果如下：可以看到在输出电压大于198mV后电流基本可以实现2倍复制，电压裕度比普通的共源共栅电流镜大得多，而且电流复制基本精确，且在一定范围内输出电流基本不随电压的变化而变化。与计算结果相符。
我们把三种电流镜的输出特性曲线做一个对比：
绿色为普通电流镜：电流复制并不精确
紫色为共源共栅电流镜：虽然电流复制很精确，但由于浪费了一个VTH的电压裕度，输出的裕度很小
红色为低压共源共栅电流镜结构：电流精确复制的前提下，输出的电压裕度也很大