專利名稱：自啟動(dòng)低壓操作電流鏡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種自啟動(dòng)低壓操作電流鏡電路。
背景技術(shù)：
電流鏡作為偏置單元或負(fù)載元件已經(jīng)在模擬電路中獲得廣泛應(yīng)用。電流鏡遵循的原理是如果兩個(gè)相同MOS管的柵-源電壓相等，那么溝道電流也應(yīng)相等。在偏置電路的設(shè)計(jì)中，采用電流鏡技術(shù)可以獲得較好的性能，如對(duì)電源電壓及工作溫度的變化不敏感；采用電流鏡設(shè)計(jì)偏置電流通常比采用電阻更節(jié)省芯片面積，尤其是當(dāng)要求偏置電流很小的時(shí)候；作為負(fù)載元件，電流鏡可以產(chǎn)生很大的電阻，從而獲得較高的電壓增益。
簡單的電流鏡只需使用二個(gè)MOS晶體管即可實(shí)現(xiàn)。考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)輸出和輸入電壓不同時(shí)，尤其是當(dāng)使用最小長度晶體管以通過減小寬度來減小電流源輸出電流時(shí)，得到的鏡像電流產(chǎn)生了極大的偏差。為了抑制溝道長度調(diào)制的影響，可以使用共源共柵電流源。這種結(jié)構(gòu)可以使底部晶體管免受輸出電壓變化的影響。然而這種精度的獲得是以共柵晶體管消耗額外的電壓余度為代價(jià)的。
低壓共源共柵電流鏡可以避免精度和余度之間的矛盾。這種電路實(shí)際上是輸入輸出短接的共源共柵結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示。為了保證m1、m2晶體管飽和，偏置電壓Vb必須滿足VGs2+(VGS1-VTH1)≤Vb≤VGS1+VTH2(式中VGsN表示第N個(gè)晶體管的柵源電壓，VTHN表示第N個(gè)晶體管的閾值電壓，以下同)。如果m2、m4尺寸選擇合理，使其過驅(qū)動(dòng)電壓始終小于一個(gè)閾值電壓，偏置電壓Vb便可選擇最小值VGs2+(VGS1-VTH1)。在A、B節(jié)點(diǎn)電壓相等的情況下，共源共柵電流源m3-m4消耗的電壓余度最小(m3與m4的過驅(qū)動(dòng)電壓之和)，而且可以精確的鏡像輸入電流。
我們還必須產(chǎn)生偏置電壓Vb。圖1(a)顯示了一個(gè)例子，使VA＝VGS1-VTH1式中VA表示節(jié)點(diǎn)A的電壓)，其Vb必須等于(或稍大于)VGs2+(VGS1-VTH1)。則偏壓電阻壓降應(yīng)該在VGs2-VTH1＜Vb-Vx＜VTH2范圍內(nèi)。由于工藝的原因，偏壓電阻值很難做精確，另外由于電阻受溫度影響較大，給電路帶來額外的噪聲，因此在高精度電路設(shè)計(jì)里，采用電阻做偏壓并不是理想的選擇。
低壓共源共柵結(jié)構(gòu)可以用源隨器來偏置。如圖1(b)所示，該想法是插入一個(gè)源跟隨器使得m4的柵電壓相對(duì)于VN下移。然而，這一結(jié)構(gòu)中VDS2≠VDS3(式中VDSN表示晶體管N的漏源電壓，以下同)，引入了極大的不匹配。而且如果考慮晶體管m2，m4，m5的襯偏效益，就很難保證晶體管m4工作在飽和區(qū)。因此尋求一種偏置簡單而有效的低壓共源共柵的電路鏡有其必要性。
目前，大多數(shù)電流鏡都是三端口電路。公共的一端是接到電源端(或地端)，并且輸入電流源接到輸入端，理想的輸出電流等于輸入電流乘以電流增益。假如增益為一，則輸入電流就鏡像到輸出端。例如，假如電流是n型晶體管電流輸入，則得到n型晶體管的電流輸出。事實(shí)上在很多模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)得到n型和p型的電流輸出。因此需要在傳統(tǒng)三端口電流鏡的基礎(chǔ)上增加將n型電流轉(zhuǎn)換為p型電流的電路。
正因如此，發(fā)明人有鑒于已知技術(shù)的缺點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)與研究，開發(fā)出本發(fā)明“自啟動(dòng)低壓操作電流鏡電路”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于設(shè)計(jì)一種新的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生低壓共源共柵電流鏡共柵晶體管的偏置電壓。本發(fā)明的另一目的在于設(shè)計(jì)一種簡單而精確的結(jié)構(gòu)，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于和一不同于該輸入的輸出電流。
為了實(shí)現(xiàn)上面所述目的，本發(fā)明一種自啟動(dòng)低壓操作電流鏡電路，包括一第一低壓共源共柵支路，一第二低壓共源共柵支路，一第一偏置電壓支路，一第二偏置電壓支路，兩種類型的輸出支路，一啟動(dòng)晶體管及一關(guān)閉晶體管。其特征在于，其中包括一第一低壓共源共柵支路，接受輸入側(cè)電流；一第二低壓共源共柵支路，將電流類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換；一第一偏置電壓支路，給第一低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一第二偏置電壓支路，給第二低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一PMOS輸出電流支路，提供p型輸出電流；一NMOS輸出電流支路，提供n型輸出電流；一啟動(dòng)晶體管，啟動(dòng)該電流鏡電路；一關(guān)閉晶體管，關(guān)閉該電流鏡電路，以節(jié)省功耗；上述電路依次連接。
本發(fā)明適合于給定一種輸入類型的參考電流，產(chǎn)生和該類型相同或不同的輸出電流。


圖1(a)是一已知使用電阻產(chǎn)生偏置電壓的電流鏡示意圖；圖1(b)是一已知使用源極跟隨電平移位器產(chǎn)生偏置電壓的電流鏡示意圖；圖2是NMOS輸入雙輸出自啟動(dòng)低壓電流鏡電路圖；圖3是PMOS輸入雙輸出自啟動(dòng)低壓電流鏡電路圖；圖4是NMOS輸入p型電流輸出自啟動(dòng)低壓電流鏡電路圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選施例。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種自啟動(dòng)NMOS輸入雙輸出的電流鏡的電路圖。整個(gè)電路由NMOS低壓共源共柵支路201、PMOS低壓共源共柵支路203、第一偏置電壓支路204、第二偏置電壓支路202、PMOS輸出電流支路205、NMOS輸出電流支路206、啟動(dòng)NMOS晶體管m3、關(guān)閉NMOS晶體管m4組成。而NMOS低壓共源共柵支路201由晶體管m1、m2串接組成；PMOS低壓共源共柵支路203由晶體管m8、m9、m10、m11串接組成；第一偏置電壓的支路204由m12、m13、m14串接組成；第二偏置電壓的支路202由m5、m6、m7串接組成；PMOS輸出電流支路205由m15、m16串接組成；NMOS輸出電流支路206由m17、m18串接組成。
自啟動(dòng)低壓電流鏡電路在晶體管m4關(guān)閉(即輸入信號(hào)Pwrb電壓為低)，及輸入?yún)⒖茧娏鱅ref的情況下開始工作。首先參考電流流入晶體管m1的漏端。假如晶體管m1的柵極電壓為低，則啟動(dòng)管m3導(dǎo)通，m1柵極電壓提升，同時(shí)，由于晶體管m2的柵極由于接m1的漏極，柵極電壓為高，晶體管m1、m2導(dǎo)通。迫使m1的漏極電壓下降，當(dāng)VGS3-VTH3＜VDS3時(shí)，晶體管m3關(guān)閉，完成自啟動(dòng)。
自啟動(dòng)完成過程中，共源晶體管m2、m7、m11、m18的柵源電壓相同，只要其漏源電壓也相同，則參考電流便可以鏡像到晶體管m7、m11、m18所在的各支路。偏置電壓支路202的p型晶體管m5由于是二極管接法，該支路可以導(dǎo)通。偏置電壓支路202給p型共源共柵電流鏡的共柵晶體管m9、m13、m16提供偏置電壓，使其PMOS低壓共源共柵支路203、偏置電壓的支路204、PMOS輸出電流支路205導(dǎo)通。由于偏置電壓204支路的n型晶體管也是二極管接法，該支路也和偏置電壓支路202一樣，反過來給n型共源共柵電流鏡的共柵晶體管m1、m6、m10、m17提供穩(wěn)定的偏置電壓。
從圖2可以看出NMOS低壓共源共柵支路201、PMOS低壓共源共柵支路203、第一偏置電壓支路204、第二偏置電壓支路202總共四個(gè)支路組成一個(gè)回路。如果共柵晶體管m1柵極電壓Vcn為低，則由于晶體管m1、m6、m10、m17關(guān)閉，其所在各支路也將關(guān)閉。如果共柵晶體管m1柵極電壓Vcn為高，則由于晶體管m1、m6、m10、m17所在各支路將導(dǎo)通。也就是說，該電路在參考電流輸入后，存在兩個(gè)平衡點(diǎn)，即電路存在“簡并”偏置點(diǎn)。啟動(dòng)NMOS晶體管m3的存在可以擺脫“簡并”偏置點(diǎn)。
那么啟動(dòng)管m3是否在電路工作時(shí)是否一定關(guān)閉？使啟動(dòng)晶體管m3關(guān)閉必須有VVn-VVcn＜Vth3， 即VGS2-Vth3＜VVcn，使m1飽和必須有VVcn-Vth1＜VVn(＝VGS2)，使m2飽和必須有VVn-Vth2＜VVcn-VGS1。因此VGS1+VGS2-Vth2＜VVcn＜VGS2+Vth1。在m1、m2飽和狀態(tài)時(shí)總有VGS2-Vth3＜VGS1+VGS2-Vth2，也即是晶體管m3此時(shí)已經(jīng)關(guān)閉，電路正常工作，不受啟動(dòng)晶體管m3的影響。
偏置支路電流的大小及偏置晶體管的尺寸是如何選取的呢？使m1、m2飽和，則VGS1+VGS2-Vth2＜VGS＜VGS2+Vth1。如果選取VVcn等于或稍大于VGS1+VGS2-Vth2，則共源共柵電流源m17、m18消耗的電壓余度最小(m17、m18的過驅(qū)動(dòng)電壓之和)。同理，選取VVcp等于或稍小于|VGS9|+|VGS8|-|Vth8|，m15、m16消耗的電壓余度為兩個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓。偏置電壓Vcn和VVcp由偏置晶體管m14和m5提供。調(diào)整m14和m5的柵長使其柵源電壓滿足VVcn和VVcp的要求。為節(jié)省功耗，偏置電壓支路202和204可以選取較小的鏡像電流，同時(shí)關(guān)閉晶體管m4可以在電流鏡不工作時(shí)關(guān)閉該電流鏡，達(dá)到進(jìn)一步減小功耗的目的。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自啟動(dòng)PMOS輸入雙輸出的電流鏡的電路圖。整個(gè)電路由PMOS低壓共源共柵支路301、NMOS低壓共源共柵支路303、偏置電壓的支路302、偏置電壓的支路304、PMOS輸出電流支路305、NMOS輸出電流支路306、啟動(dòng)PMOS晶體管m4、關(guān)閉PMOS晶體管組成。而PMOS低壓共源共柵支路301由晶體管m1、m2串接組成；NMOS低壓共源共柵支路303由晶體管m8、m9、m10、m11串接組成；第一偏置電壓的支路304由m12、m13、m14串接組成；第二偏置電壓的支路302由m5、m6、m7串接組成；PMOS輸出電流支路305由m15、m16串接組成；NMOS輸出電流支路306由m17、m18串接組成。
該施例工作原理與圖2電路的工作原理相同。晶體管m2的漏極接收輸入?yún)⒖茧娏?。晶體管m3關(guān)閉，自啟動(dòng)晶體管m4使電流鏡進(jìn)入穩(wěn)的工作點(diǎn)，然后自動(dòng)關(guān)閉。PMOS共柵極電壓Vcp及NMOS共柵極電壓Vcn分別由偏置晶體管m12和m7提供。在選擇合適的偏置晶體管尺寸后，PMOS輸出電流支路305、NMOS輸出電流支路306分別只消耗2個(gè)晶體管的過驅(qū)動(dòng)電壓。
圖4是NMOS輸入p型電流輸出自啟動(dòng)低壓電流鏡電路，電路結(jié)構(gòu)與圖2基本相同，只不過是少了一路輸出電路支路。工作原理也與圖2一樣。
權(quán)利要求
1.一種自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，用以接受一輸入電流，產(chǎn)生一種相同于和一種不同于該輸入電流類型的輸出電流，其特征在于，其中包括一第一低壓共源共柵支路，一第二低壓共源共柵支路，一第一偏置電壓支路，一第二偏置電壓支路，兩種類型的輸出支路，一啟動(dòng)晶體管及一關(guān)閉晶體管，一第一低壓共源共柵支路，接受輸入側(cè)電流；一第二低壓共源共柵支路，將電流類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換；一第一偏置電壓支路，給第一低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一第二偏置電壓支路，給第二低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一PMOS輸出電流支路，提供p型輸出電流；一NMOS輸出電流支路，提供n型輸出電流；一啟動(dòng)晶體管，啟動(dòng)該電流鏡電路；一關(guān)閉晶體管，關(guān)閉該電流鏡電路；上述電路依次連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，其特征在于一NMOS低壓共源共柵支路，接受輸入側(cè)電流；一PMOS低壓共源共柵支路，將n型電流轉(zhuǎn)換為p型；一第一偏置電壓的支路，給NMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；一第二偏置電壓的支路，給PMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；一PMOS輸出電流支路，提供p型輸出電流；一NMOS輸出電流支路，提供n型輸出電流；一啟動(dòng)NMOS晶體管，啟動(dòng)該電流鏡電路；一關(guān)閉NMOS晶體管，關(guān)閉該電流鏡電路；上述電路依次連接。
3.按照權(quán)利要求1所述的自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，其特征在于接收一類型的輸入電流，提供兩種類型的輸出電流；第一偏置電壓支路、第二偏置電壓支路分別給NMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管、PMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；由于電流類型需要轉(zhuǎn)換，該電路結(jié)構(gòu)存在“簡并”偏置點(diǎn)，需要一啟動(dòng)NMOS晶體管擺脫偏置點(diǎn)，一關(guān)閉NMOS晶體管，關(guān)閉整個(gè)電流鏡電路。
4.按照權(quán)利要求1所述的自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，其特征在于一PMOS低壓共源共柵支路，接受輸入側(cè)電流；一NMOS低壓共源共柵支路，將p型電流轉(zhuǎn)換為n型；一第一偏置電壓的支路，給PMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；一第二偏置電壓的支路，給NMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；一NMOS輸出電流支路，提供n型輸出電流；一PMOS輸出電流支路，提供p型輸出電流；一啟動(dòng)PMOS晶體管，啟動(dòng)該電流鏡電路；一關(guān)閉PMOS晶體管，關(guān)閉整個(gè)電流鏡電路；上述電路依次連接。
5.按照權(quán)利要求4所述的自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，其特征在于接收一類型的輸入電流，提供兩種類型的輸出電流；第一偏置電壓支路、第二偏置電壓支路分別給PMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管、NMOS低壓共源共柵支路的共柵晶體管提供偏置電壓；在產(chǎn)生第一偏置電壓支路、第二偏置電壓支路時(shí)，存在“簡并”偏置點(diǎn)，需要一啟動(dòng)PMOS晶體管擺脫偏置點(diǎn)；一關(guān)閉PMOS晶體管，關(guān)閉整個(gè)電流鏡電路。
6.如權(quán)利要求2或4所述的自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，其特征在于可以只輸出n型輸出電流，或者p型輸出電流的一種類型的電流。
全文摘要
本發(fā)明為一種自啟動(dòng)的低壓操作電流鏡電路，用以接收一輸入電流，產(chǎn)生一種相同于和一種不同于該輸入電流類型的輸出電流。其特征在于，其中包括一第一低壓共源共柵支路，接收輸入側(cè)電流；一第二低壓共源共柵支路，將電流類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換；一第一偏置電壓支路，給第一低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一第二偏置電壓支路，給第二低壓共源共柵支路提供偏置電壓；一PMOS輸出電流支路，提供p型輸出電流；一NMOS輸出電流支路，提供n型輸出電流；一啟動(dòng)晶體管，啟動(dòng)該電流鏡電路；一關(guān)閉晶體管，關(guān)閉該電流鏡電路。
文檔編號(hào)H03F3/343GK101083453SQ200610012050
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者郭書苞, 趙冰, 仇玉林, 葉青 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所