前言

电流镜是模拟集成威廉希尔官方网站 设计中基本的威廉希尔官方网站 单元之一，在电流拷贝，运放偏置等威廉希尔官方网站 中极为常见，其决定着电流拷贝的精准性以及运放的增益，匹配等特性。共源共栅电流镜得益于其优越的输出阻抗，在高精度的模拟威廉希尔官方网站 中被广泛使用。

本文简单复习并介绍了三种常见的共源共栅电流镜，结合笔者的设计经验给出了一些设计考虑，希望可以对读者有所帮助。

简单共源共栅电流镜

图1 简单共源共栅电流镜

上图所示为简单的共源共栅电流镜，对该威廉希尔官方网站 而言，只需要保证M1和M3，M2和M4这两对MOS管成比例的设计，同时输出电压大于V gs1+Vdsat2的要求，即可使所有的MOS管都工作在饱和区，以实现精准的电流拷贝和较大的输出阻抗。

在设计时，我们常常将M1和M3设计得具有较大的沟长L和较大的过驱动电压，这是因为电流拷贝主要由M1和M3决定，因此较大的沟长L可以保证M1和M3输出阻抗更大，因而更少地受到漏端电压的影响，电流拷贝更为精准。而较大的过驱动电压可以保证他们受失配的影响更小。而作为减弱输出电压影响功能的M2和M4，出于面积和输出电压裕度的考虑，要求变得宽松了很多，事实上M2和M4在设计时甚至可以采用工艺允许的最小沟长。这一点在所有的共源共栅中都是适用的。

该威廉希尔官方网站 的最大缺点即为其“吃掉”了很大的输出电压裕度，相比低压共源共栅电流镜，它需要的输出电压“高”一个V th ,对于在意输出电压范围的应用，如供电电压很低，或为作为共源共栅运放的输出级等，该威廉希尔官方网站 显得“浪费”，因此不那么适用。而对一个不在意输出电压范围的威廉希尔官方网站 ，比如芯片中各种电流的简单拷贝，其威廉希尔官方网站 简单，设计方便，需要考虑的因素没有低压共源共栅电流镜多，因此更为适用。

低压共源共栅电流镜

图2 低压共源共栅电流镜1

图3 低压共源共栅电流镜2

为了解决简单共源共栅电流镜输出电压范围大的问题，低压共源共栅电流镜应运而生。图2和图3给出了日常设计中两种常用的低压共源共栅电流镜威廉希尔官方网站 ，两者区别为产生M2(M4)的栅极偏置电压威廉希尔官方网站 的不同。相同的是，为了使所有晶体管工作在饱和区，威廉希尔官方网站 需要满足 式(1) ：

在图2中，Vg2即为M5的栅源电压V gs5，通过另外一路电流加上合理选择M5的尺寸，以使得Vg2满足上式的要求。而在图3中，Vg2为Vgs1+IinR,通过选择R的值即可确定Vg2。

根据式(1)可知，Vg2被限定在一个范围内，因此相比简单的共源共栅电流镜，低压共源共栅电流镜受到了额外的约束，在这种约束下，会出现下面两种情况：

情况1：Vg2如果设置过低，则容易使得M1进入线性区，因为在电流镜中，M1和M3决定电流拷贝，因此工作在线性区会使得该电流镜直接不正常工作；

情况2：如果Vg2设置过高，则M2进入线性区，此时M4是否进入线性区取决于M4的漏端电压。但此时，M1和M3仍然工作在饱和区，电流拷贝仍然正常。如果M4的漏端电压足够到M4工作在饱和区，那么M4仍然可以起到减弱输出电压对M3漏端电压影响的作用，但是因为M1+M2与M3+M4不是完全镜像，因此电流拷贝的精准性不如完全正常工作的电流镜。这种情况，如果不要求电流拷贝准确，只单纯想要高输出阻抗，比如作为运放输出级，那么该目标仍然可以实现。因此，如果在设计运放偏置时，由于威廉希尔官方网站 的限制，必须选择Vg2在整个温度，工艺角范围内高一些或是低一些，高一些这个选择可能影响会更小。这也是笔者在威廉希尔官方网站 设计时常常遇到的问题，该问题尤其在Vgs1较低时更容易出现，因为该情况会使得留给Vg2的可选范围很小，尤其加上温度和工艺角的考虑。

图2和图3相比，图2电流需要多一路电流进行偏置，而图3威廉希尔官方网站 需要多使用一个电阻，前者带来额外的功耗和威廉希尔官方网站 复杂度，后者带来更大的面积（尤其在低功耗威廉希尔官方网站 中），设计时可以根据需求进行选择。

相比简单共源共栅电流镜，低压共源共栅电流镜多了一个阈值电压的输出电压裕度，因此更适用于低供电电压，运放输出级等场景。

总结

本文简单介绍了三种常见的共源共栅电流镜威廉希尔官方网站 ，结合笔者的设计经验提出了一些个人设计见解，希望读者多多指正。