一种大电流高输出阻抗电流镜的设计

2 改进电流镜的设计
改进的电流镜如图3所示，它由两个部分组成：MOS晶体管M1～M4构成两级型共源共栅电流镜；MOS晶体管M5～M14构成折叠式共源共栅放大器，其中由Vb1，Vb2，Vb3由外部偏置产生。折叠式共源共栅放大器能够通过负反馈增大电流镜的输出电阻，提高电流镜的电流匹配精度。
将电流镜的放大器部分简化，如图4所示。改进电流镜的输出阻抗为：

而：

由图4可知：

式中：A为折叠式共源共栅放大器的增益。
将式(8)代入式(7)，得：

同样，将M2看成共源放大器，有：

由式(9)，(10)可算出：

根据折叠式共源共栅放大器可知，其增益为：

将式(12)代入式(11)，得：

由式(6)和式(13)可计算出改进的电流镜的输出阻抗为：

可见本文设计的电流镜的输出阻抗远大于原有结构电流镜的输出阻抗。
在改善电流匹配精度方面，在图4中，首先假设电流镜的输入电流恒定，如果由于噪声等因素，A点的电压上升，在这种情况下，放大器正输入端电压不变，负输入端电压增大，必将导致放大器的输出端即C点的电压减小。由于M2的栅源电压没有发生变化，那么流过M4的电流不会变化，于是A点的电压又会随着C点电压的减小而减小，直到放大器正负两端电压相等。由此可见，本文设计的电流镜在输入电流不变的情况下能够很好地稳定A点的电压。另外，即使输入电流发生变化，由于放大器的负反馈作用，使得能够很好地满足VD1=VD2，即VDS1=VDS2，电流镜的匹配精度也不会随输入电流Iin的变化而改变。
由于放大器输入失调的存在，导致VDS1和VDS2存在接近10 mA的偏差。在长沟道情况下，λ值通常小于0．01，根据式(1)可知，电流误差小于10-5量级，因此放大器的输入失调不会带来大的一致性误差。
在图3的电路中，只要满足Vout≥VOV2+VOV4，M2和M4就可以在饱和区正常工作。通过调整M2和M4的宽长比使得过驱动电压均为0．1 V，在输出电压为0．2 V时，电流镜仍然有非常好的输出特性；同时，M4工作在线性区时，电流镜也同样具有较高的输出阻抗。