模拟设计

电流镜(current mirror)

电流镜(current mirror)是一小组相互匹配的晶体管,它把一路电流复制出来,再在电路别处把它原样重现。可以想象一个「主」器件设定出一路参考电流,旁边紧挨着一个或几个「孪生兄弟」照着它走:主器件流多少,副本就流多少。这是模拟设计里最常用的基本模块之一——它让你能一次把同一份精确的电流分给芯片里许多地方,也是把放大器和其他级偏置到工作状态的办法。

最简单的电流镜是两个共用栅极的晶体管。主管接成二极管形式(栅极接到自己的漏极上),于是强行流过它的参考电流,会让栅极电压恰好稳定在承载该电流所需的值。第二个晶体管看到的是同一个栅极电压,因此只要两个器件完全一样,它就流过同样大小的电流。把副本的 W/L(宽长比)做成主管的两倍,它就流两倍的电流;电流镜的复制比,就是两者 W/L 尺寸之比,所以你能把单一一路参考电流,整整齐齐地放大成许多倍。

精度的成败全在匹配:两个晶体管必须真正一致——同样的温度、同样的朝向、版图上紧挨着摆——否则副本就会跑偏。另一个限制来自输出管的漏极电压。理想的电流镜无论负载呈现多少电压都应输出同样的电流,但普通电流镜的副本会随输出漏极电压升高而慢慢爬升(输出电阻有限)。共源共栅(cascode)电流镜在上面叠一个晶体管,把做镜像的那个器件挡在这些电压摆动之外,从而抬高输出电阻、收紧复制——当你需要一个表现得像「硬」电流源、或像高质量有源负载的电流镜时,这就是标准的解法。

I_out = ((W/L)_out / (W/L)_in) × I_ref

在基本的两管电流镜中,复制出的电流按输出管与输入(主)管的 W/L 之比缩放——尺寸相等时 I_out = I_ref,做成 2:1 时就得到两倍参考电流。