微電流條件下的開關(guān)電流鏡失配補償及其在CAB中的應(yīng)用

郭杰榮 何怡剛 劉長青

摘要：提出了一個高精確、可工作在非常微弱電流的開關(guān)電流鏡電路，采用一種可以自動調(diào)整鏡像MOS管柵源電壓的方法進行失配補償，可實現(xiàn)因物理參數(shù)失配造成輸出誤差的補償.根據(jù)可重構(gòu)模擬單元CAB的設(shè)計需要，提出了雙相位多輸出電流鏡及其失配補償電路，討論了工作時序與可編程開關(guān)的一體化設(shè)計.所提出的設(shè)計對于20%的失配只產(chǎn)生小于1%的誤差，電流范圍1 nA～1 μA.該電路可以使用CMOS單晶工藝實現(xiàn).給出的仿真結(jié)果驗證了理論設(shè)計.

關(guān)鍵詞： 電流鏡；電流控制；CMOS電流； 可重構(gòu)模擬單元； 可編程開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN710文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0119-05

開關(guān)電流（Switched Current SI）電路由存儲單元、不同工作相位控制開關(guān)以及電流鏡電路構(gòu)成，實現(xiàn)對電流信號的處理，具有較強的低功耗工作潛力，兼容標準數(shù)字CMOS工藝.理論上，SI技術(shù)有著種種優(yōu)勢以取代開關(guān)電容技術(shù).然而，在現(xiàn)實應(yīng)用中，由于CMOS電流鏡的幾何、跨導(dǎo)等失配特性使得SI電路在精度、速度和線性等方面受到限制，必須采用各種補償電路以及更有效的電路設(shè)計方法[1].目前廣泛研究與應(yīng)用的SI技術(shù)都是以第二代SI（S2I）電流鏡電路為基本模塊的[2-6] .然而.改進后的結(jié)構(gòu)其存儲的精度對在存儲節(jié)點注入電荷非常敏感，因此電荷注入限制了這種電路的實用性.另外，采用浮柵技術(shù)補償失配參數(shù)的方法也有報道， 如采用低功耗class AB 柵極接地存儲電路來構(gòu)成CAB[7-9]，用柵極接地技術(shù)減少輸入輸出跨導(dǎo)比誤差.但這樣的補償電路的實現(xiàn)需要雙聚工藝.Chris Taillefer 提出柵源電壓補償方法[10]，只針對基本電流鏡結(jié)構(gòu)，對于多相位開關(guān)電流結(jié)構(gòu)未作討論.此外，當(dāng)通過晶體對管的電流減小時，失配的效果會變得更加明顯.如果一個電流鏡的晶體管是在弱反模式下，失配可能會導(dǎo)致電流鏡故障[11-12].因此，如果一個電流鏡需要采用弱電流驅(qū)動工作，如傳感器或低功耗操作，就必須在電路中采用補償方法消除或減小失配效應(yīng).本文提出的SI電流鏡電路可以有效地補償晶體管的參數(shù)失配.該電路在幾何不匹配達到20%的情況下，鏡像輸出電流誤差小于1%，且可工作在一系列非常微弱的電流條件下.

1SI電路原理及失配

因此，SI電流鏡運行的準確性高度依賴于晶體對管的匹配程度.然而，因硅材料的非均勻物理參數(shù)導(dǎo)致的晶體管不匹配是不可避免的，產(chǎn)生的電參數(shù)的變化，往往是很弱的弱相關(guān).兩個相同設(shè)計的晶體管由于物理參數(shù)的變化，如氧化層厚度和摻雜濃度，可能產(chǎn)生20%～30%的特征失配.

2補償電路原理

5結(jié)束語

本文提出一種開關(guān)電流鏡失配補償方法，采用單獨調(diào)節(jié)柵源電壓補償晶體對管跨導(dǎo)失配，從而獲得一致的輸入輸出電流.提出了一種在極端電流情況下可以運行的電流鏡電路，對于20%的失配可以獲得1%的精度匹配.基于輸入輸出間的負反饋電路，各類變量如幾何尺寸、偏移、閾值電壓等產(chǎn)生的誤差都將通過負反饋有效抑制.電路可以很容易地采用單聚CMOS工藝實現(xiàn).

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