微电流条件下的开关电流镜失配补偿及其在CAB中的应用

郭杰荣 何怡刚 刘长青

摘要：提出了一个高精确、可工作在非常微弱电流的开关电流镜电路，采用一种可以自动调整镜像MOS管栅源电压的方法进行失配补偿，可实现因物理参数失配造成输出误差的补偿.根据可重构模拟单元CAB的设计需要，提出了双相位多输出电流镜及其失配补偿电路，讨论了工作时序与可编程开关的一体化设计.所提出的设计对于20%的失配只产生小于1%的误差，电流范围1 nA～1 μA.该电路可以使用CMOS单晶工艺实现.给出的仿真结果验证了理论设计.

关键词： 电流镜；电流控制；CMOS电流； 可重构模拟单元； 可编程开关网络

中图分类号：TN710文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）02-0119-05

开关电流（Switched Current SI）电路由存储单元、不同工作相位控制开关以及电流镜电路构成，实现对电流信号的处理，具有较强的低功耗工作潜力，兼容标准数字CMOS工艺.理论上，SI技术有着种种优势以取代开关电容技术.然而，在现实应用中，由于CMOS电流镜的几何、跨导等失配特性使得SI电路在精度、速度和线性等方面受到限制，必须采用各种补偿电路以及更有效的电路设计方法[1].目前广泛研究与应用的SI技术都是以第二代SI（S2I）电流镜电路为基本模块的[2-6] .然而.改进后的结构其存储的精度对在存储节点注入电荷非常敏感，因此电荷注入限制了这种电路的实用性.另外，采用浮栅技术补偿失配参数的方法也有报道， 如采用低功耗class AB 栅极接地存储电路来构成CAB[7-9]，用栅极接地技术减少输入输出跨导比误差.但这样的补偿电路的实现需要双聚工艺.Chris Taillefer 提出栅源电压补偿方法[10]，只针对基本电流镜结构，对于多相位开关电流结构未作讨论.此外，当通过晶体对管的电流减小时，失配的效果会变得更加明显.如果一个电流镜的晶体管是在弱反模式下，失配可能会导致电流镜故障[11-12].因此，如果一个电流镜需要采用弱电流驱动工作，如传感器或低功耗操作，就必须在电路中采用补偿方法消除或减小失配效应.本文提出的SI电流镜电路可以有效地补偿晶体管的参数失配.该电路在几何不匹配达到20%的情况下，镜像输出电流误差小于1%，且可工作在一系列非常微弱的电流条件下.

1SI电路原理及失配

因此，SI电流镜运行的准确性高度依赖于晶体对管的匹配程度.然而，因硅材料的非均匀物理参数导致的晶体管不匹配是不可避免的，产生的电参数的变化，往往是很弱的弱相关.两个相同设计的晶体管由于物理参数的变化，如氧化层厚度和掺杂浓度，可能产生20%～30%的特征失配.

2补偿电路原理

5结束语

本文提出一种开关电流镜失配补偿方法，采用单独调节栅源电压补偿晶体对管跨导失配，从而获得一致的输入输出电流.提出了一种在极端电流情况下可以运行的电流镜电路，对于20%的失配可以获得1%的精度匹配.基于输入输出间的负反馈电路，各类变量如几何尺寸、偏移、阈值电压等产生的误差都将通过负反馈有效抑制.电路可以很容易地采用单聚CMOS工艺实现.

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