电流镜（模拟集成电路中的标准部件）

概念介绍

电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件，它也出现在一些数字电路中。在传统的电压模式运算放大器设计中，电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。在新型电流模式模拟集成电路设计中，电流镜除了用来产生偏置电流外，还被广泛用来实现电流信号的复制或倍乘，极性互补的电流镜还可以实现差动一单端电流信号的变换。电流镜不仅是设计集成电路的基本单元电路，而且它本身就是一种典型的电流模式电路，在一些电流模式系统（例如高频连续时间滤波器、人工神经网络）中得到直接应用。

电流镜是电流控制电流源，下图是其示意图。其中I是由外部给定的基准电流，而I是它的镜输出电流，n可以大于1、小于1或等于1。电流镜可以有多路输出电流。人们对电流镜所关心的问题是其输出电阻、I对I的跟随精度以及它对电源电压和温度的灵敏性等。

电流镜

静态电流镜

电流镜符号

简单电流镜是一种三端器件，下图所示是它的示意图。图中的N是输入节点，它是能接受一种极性电流I的输入端；N是输出节点，它是能提供输出电流I的输出端，I是I的复制（拷贝），即I与I流向相同，数值相等，也可以说I跟随I；N是公共节点，这个节点中的电流是I与I之和。

实用电流镜应该具有下列三点基本性能。

①输出支路的电流I应基本与节点N的电压V无关，V允许被偏置到与公共节点N相差几百毫伏到几伏的任何电位，即N节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻r（更通用应为交流输出阻抗Z）应该很高，理想时为无穷大。

②输入节点N的直流电压V应当很小，通常比公共节点N相差几百毫伏，而且电压V基本上与输入电流I的增量变化无关，即小信号交流输人电阻r（更通用为交流输人阻抗Z）应相当低，理想时为零。

③电流传输比

在实用电流镜中，输人电流I通常叫作基准电流，用I表示；输出电流用I表示。正极性电流镜用NPN双极型管或N沟MOS管组成，由正极性电源V供电，I和I分别流人节点N、N；负极性电流镜用PNP或P沟MOS管组成，由负极性电源V供电，I、I分别自节点N、N流出。

双极型基本电流镜

下图是由两个NPN晶体管组成的双极型基本电流镜。T是输入管，它的B、C极短接作为输入端，输入节点N与公共节点N之间是T的正偏发射结，具有低直流偏置电压和很小的交流输入电阻。T是输出管，它的集电极是输出端，集电极电流是输出电流并具有恒流特性，因此具有很高的交流输出电阻。基准电流I可用两种方法来实现，下图（a）的I是经电阻尺和正电源获得，I的数值可用R进行调节，这种方法主要用于产生偏置电流；下图（b）的I由一个电流源直接提供，常用于电流信号的复制。

MOS管基本电流镜

由两个N沟增强型MOS管组成的基本电流镜如下图所示。M与M两管的衬底与源短接，所以不存在体效应。M作输入管，其栅、漏极短接，

Widlar电流镜

在集成电路中，经常要用到微安级的小电流。若用前述基本电流镜来获得小电流，将遇到两个困难。一个是由于版图的原因，双极型晶体管T、T的发射结面积之比不能任意大，一般

Widlar是一种适宜产生小电流的电流镜，其电路如下图所示。在T的发射极上串入小电阻R，使T的V小于T的V。通过改变R的电阻值，可以改变I与I之比，并获得小电流输出。

级联电流镜

双极型级联电流镜如下图所示。它的输入端一侧为T、T串联，输出端一侧为T、T串联。T、T都是B、C极短接，使得I输入端呈现低输入电阻。T、T的B、C极都不短接，使I输出端具有高输出电阻。

下图所示电路可以看作是上图所示Widlar电流镜的改进，即采用T管的输出电阻

动态电流镜

以上介绍的电流镜是经典的静态电流镜，其工作方式为连续时间模拟信号处理，电路中没有周期动作的开关，电路工作状态与时间无关，一旦接通电源，电路始终处于稳定状态，这种电流镜的电流复制精度受到其中晶体管匹配程度的限制。令人遗憾的是，在广泛应用的CMOS集成电路中，MOS管电流镜的精度难以达到很高，这是由于MOS晶体管的阈值电压失配值和1/f噪声值偏大而造成的。

能否在不要求晶体管严格匹配的条件下实现电流信号的精确复制呢？实现这一想法的一种创新电路叫动态电流镜，它是1988年分别由E.A.Vittoz和Y.P.Tsividia等人独立提出的新型电流镜。

动态电流镜利用MOS晶体管的动态存储性能，把模拟量信息暂时存放在栅极电容上，但并不要求栅极电流。动态电流镜的基本思路是，仅使用一个晶体管实现电流复制，这个晶体管要在开关的控制下按顺序工作，一会儿作电流镜的输入管，把基准电流以相应的栅电压形式存储起来；一会儿作电流镜的输出管，在存储栅压的控制下把同样的电流复制出来。因为仅用了一个晶体管，所以就不存在失匹问题。

动态电流镜的原理还被扩展到许多不同的电路中，促进了一些很高精度的模拟CMOS标准部件的发展。

动态电流镜又称电流拷贝器（Current Copier）或取样电流电路（Sampled-Current Circuit）。其基本单元电路如下图所示，它由一个晶体管M、一个存储电容C和三个开关S、S、S真组成。电流源I代表欲复制的信号电流（基准电流），三个开关都是用MOS晶体管实现的。

三个开关在时钟信号的控制下周期性地接通和断开，使电路出现两个过程的循环往复，第一个过程是电流存储，第二个过程是电流复制，下面说明两个过程的工作原理。

电流存储过程如上图（a）所示，S、S接通，S断开，电流源I将输人电流馈送到D、G短接的MOS晶体管M，使栅极存储电容C充电，并使M导通。当达到平衡时，电容C充电到使晶体管电流I=I所要求的栅极电压值V，于是电流h的值以电压形式存储在电容C的两端，在这个过程中，M作电流镜的输入晶体管。

电流复制过程如上图（b）所示，S、S断开，S接通。在S断开之后，电容C上记忆着栅极电压，因此M的漏极电流仍然等于输入电流I。当S断开和S闭合时，输出端的负载可得到存储的漏极电流I，在这个过程中，M作电流镜的输出晶体管。

上图（c）给出了相应的时钟相位，为了避免电容C放电，S应在S断开和S接通之前断开。