电流镜

Current Mirror也称 MOS电流镜、电流复制电路、电流源偏置、current-source bias

用参考支路把电流转换为栅源电压，再由匹配的输出器件把该偏置转换回电流；尺寸比决定理想比例，输出余度、沟道长度调制和失配决定实际误差。

速览

约 1 分钟

基本MOS电流镜由一只二极管连接的参考管和一只共享栅压的输出管组成。参考电流建立VGS；若两管处在相同工作区且器件匹配，输出电流按W/L比复制。它不是与输出电压无关的理想电流源：输出管必须保持饱和，且有限输出电阻、阈值失配、尺寸误差、温度梯度和布线压降都会破坏镜像。

系统理解

约 3 分钟

电流镜首先解决偏置分配问题。参考支路中的栅漏短接器件把输入电流映射为一个VGS，输出支路用同一VGS驱动另一器件；在长沟道平方律、相同阈值和相同温度的理想近似下，电流比由几何尺寸比决定。这个因果方向很重要：参考电流产生栅压，输出管检测栅压并提供电流，不能把VGS当成无需来源的独立常数。

真实输出支路只有在满足饱和条件时才近似为电流源。对NMOS下拉镜，输出电压至少要留出约一个过驱动电压；一旦进入三极管区，输出电流会随VDS明显下降。即使仍在饱和区，沟道长度调制也使电流随输出电压变化，输入、输出器件VDS不等会形成系统误差。简单镜的低频输出电阻约为输出管ro，而共源共栅镜可借局部反馈提高输出电阻，却消耗更多电压余度并引入额外偏置。

器件匹配决定复制精度。相邻、同向、相同沟道长度、相同单位器件和对称互连可减小工艺梯度与系统失配；增加器件面积通常降低随机失配，却增加寄生电容、面积和启动时间。只按总W/L相等并不能保证相同边缘、接触、温度与应力环境，因此版图和工作点必须与原理图一起验证。

电流镜既可生成尾电流、级间偏置和有源负载，也可把差分电流合成为单端信号。设计时需要同时核对目标电流、输出顺从范围、输出电阻、精度、噪声、启动、PVT、功耗与负载变化；不能用一个理想比例式替代完整的直流、交流、失配与余度检查。

承接MOSFET的饱和区、跨导与输出电阻，向上连接差分对尾电流、有源负载、运算放大器、基准和数据转换器。

公式提示

理想长沟道近似为Iout/Iref≈(W/L)out/(W/L)ref；含一阶沟道长度调制时还要乘以(1+λVDS,out)/(1+λVDS,ref)。该式要求器件阈值、迁移率、温度和工作区可比。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
参考与输出电流	A	定义镜像比例、功耗和被偏置级的跨导
输出顺从电压	V	保持输出器件处于目标工作区所需的最小或最大端口电压
输出电阻	Ω	衡量输出电流对输出电压变化的不敏感程度
系统与随机失配	—	由VDS差、尺寸、阈值、梯度、温度、应力和版图环境共同形成
寄生电容与建立时间	F / s	共享栅节点和级联器件决定偏置启动及高频响应

常见误区

认为相同W/L就能在任何输出电压下得到完全相同的电流
认为二极管连接MOS等同于PN二极管，或具有固定压降
认为共源共栅镜只提高精度而不消耗输出余度
认为原理图器件匹配即可，不需要版图、温度和互连对称
认为电流镜只能传递直流，不能作为有源负载处理小信号

工程深入

16 条结论 · 1 道例题

参考到输出的因果链

定义

电流镜先把参考电流变成栅源电压

参考支路的二极管连接MOS在给定电流下建立VGS，输出管共享这一栅压并把它重新转换为漏电流；参考电流是原因，公共栅压是中间变量，输出电流是结果。^{1, 2}

成立条件 参考管必须存在直流通路并达到稳定工作点；二极管连接是栅漏短接，不等同于固定压降二极管

机制

匹配器件的尺寸比建立理想电流比

当参考管和输出管具有相同工艺参数、温度、阈值与有效沟道长度，并处于相同强反型工作模型时，两支路电流的理想比例主要由W/L之比决定。^{1, 2}

\frac{I_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{ref}}}\approx\frac{(W/L)_{\mathrm{out}}}{(W/L)_{\mathrm{ref}}}

Iref: 参考支路漏电流，单位 A
Iout: 输出支路漏电流，单位 A
W/L: 器件有效沟道宽长比

成立条件 忽略沟道长度调制、体效应与串联电阻；源端电位应使两管VSB可比；比较的是有效尺寸而非只看版图标注值

边界

相同W/L不是无条件的相同电流

同一公共VGS只能消除一部分共同变化；若两管的阈值、VSB、温度、应力、有效尺寸或串联压降不同，即使标称W/L相同也会产生镜像误差。^{1, 2}

成立条件 匹配描述的是统计与布局条件，不是器件身份完全相同；PVT共同漂移与两支路失配需要分开评估

关联

电流镜可按整数单位器件构成比例

多个相同单位管并联可增加等效宽度并形成整数倍电流，串联或半宽度等方法可形成较小比例；单位化有利于保持相同边缘、接触和环境，但不能自动消除梯度。^{1, 2}

成立条件 并联单位器件应共享等效端口偏置；大比例镜还需核对栅线电阻、压降和电流密度

顺从范围与输出误差

边界

输出管需要顺从电压才能保持电流源工作区

NMOS下拉镜的输出电压必须高到足以让输出管保持饱和；低于边界后，器件进入三极管区，电流不再主要由公共VGS决定。PMOS上拉镜具有极性相反的上端余度要求。^{1, 2}

成立条件 长沟道NMOS常用VDS,out≥VOV作为一阶边界；先进器件和高精度设计应按所用模型与规格定义顺从范围

机制

沟道长度调制把VDS差变成镜像误差

饱和区漏电流仍随VDS略增；当参考管与输出管的漏源电压不等时，两管的沟道长度调制因子不同，输出电流会偏离几何尺寸比。^{1, 2}

\frac{I_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{ref}}}\approx\frac{(W/L)_{\mathrm{out}}}{(W/L)_{\mathrm{ref}}}\frac{1+\lambda V_{DS,\mathrm{out}}}{1+\lambda V_{DS,\mathrm{ref}}}

λ: 一阶沟道长度调制参数，单位 V⁻¹
VDS: 对应器件的漏源电压，单位 V

成立条件 一阶λ模型只用于说明方向和局部误差；短沟道器件需使用更完整模型与仿真

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学模型中两管尺寸相同、λ=0.04 V⁻¹，参考管VDS=0.25 V、输出管VDS=1.00 V，沟道长度调制造成的电流比约为多少？

已知

(W/L)out/(W/L)ref=1
λ=0.04 V⁻¹
VDS,ref=0.25 V
VDS,out=1.00 V

步骤

1+λVDS,out=1+0.04×1.00=1.040，计算输出支路的一阶调制因子
1+λVDS,ref=1+0.04×0.25=1.010，计算参考支路的一阶调制因子
Iout/Iref≈1.040/1.010=1.0297，同尺寸下只比较VDS差引起的比例

结果输出电流约比参考电流高2.97%。

输出电压差会直接变成静态复制误差，提高输出电阻或使两支路VDS更接近都能减轻这一项。

不能外推到 该结果只适用于给定的一阶λ教学模型，未包含阈值失配、体效应、串联电阻、温度和短沟道效应。

公式

简单镜的输出电阻首先受输出管ro限制

把公共栅压视为小信号固定时，输出端主要看到输出管的有限ro，因此简单镜不能完全隔离负载电压变化；输出电阻越大，局部电流稳定性越好。^{1, 2}

R_{\mathrm{out},\mathrm{simple}}\approx r_o\approx\frac1{\lambda I_D}

Rout: 电流镜小信号输出电阻，单位 Ω
ID: 输出管偏置电流，单位 A

成立条件 低频、小信号且参考节点足够稳定；实际输出电阻还会受栅节点耦合、负载和体效应影响

机制

共源共栅以局部反馈提高输出电阻

级联器件抑制镜像管漏端电压变化，使输出电压扰动较少地调制关键器件VDS，从而把输出电阻提高到约gmro倍量级。^{1, 2}

R_{\mathrm{out},\mathrm{cascode}}\sim g_mr_o^2

gm: 级联相关晶体管跨导，单位 S
ro: 单管输出电阻量级，单位 Ω

成立条件 器件需有足够本征增益；额外晶体管和偏置必须保持饱和；近似量级不代替完整小信号求解

精度、布局与动态

边界

高输出电阻与低电压余度不能同时无限提高

共源共栅和反馈镜增加叠加器件或内部节点，通常提高输出电阻和静态隔离，却要求更高顺从电压，并可能增加寄生极点、启动时间和偏置复杂度。^{1, 2}

成立条件 低压工艺中余度可能先于增益成为主约束；宽摆幅级联只能减轻而不能取消工作区要求

机制

随机失配随有效面积增大通常减小

阈值与电流因子的局部随机差异会造成电流比散布；增加匹配器件面积通常降低随机失配标准差，但同时增加占用、栅电容和偏置建立时间。^{1, 2}

成立条件 面积规律是统计近似并依工艺匹配参数；系统梯度、应力与温差不会靠增大面积自动消失

机制

单位化与对称版图控制系统失配

相同单位器件、相同方向、邻近放置、对称互连与必要的公共质心排列可让两支路更接近地经历工艺梯度、温度与应力；虚设器件可减小阵列边缘环境差异。^{1, 2}

成立条件 具体匹配结构应服从工艺版图规则；公共质心不是所有几何或电流密度条件下的唯一方案

边界

偏置网络必须验证启动与稳定状态

自偏置或多级镜可能同时存在零电流与目标电流解；若没有启动支路，电源上升后电路可能停在错误状态。启动支路又必须在正常工作后足够退出，避免持续扰动偏置。^{1, 2}

成立条件 基本外加参考电流镜不一定存在多稳态问题；启动需在电源、温度、斜率和泄漏角落下验证

系统应用与边界

关联

尾电流镜设定差分对的总偏置

差分对用尾电流源设定两支路电流总和；电流镜常从全芯片参考复制这一电流，因此镜像误差、噪声和有限输出电阻会进入差分级的gm、共模增益与失调。^{1, 2}

成立条件 尾源在共模变化范围内需保持工作区；镜像噪声与输入管噪声需按传递函数区分

差分对用于：电流镜常生成尾电流或作为差分对有源负载。

机制

有源镜像负载可完成差分到单端电流合成

把差分对一侧的电流变化复制到另一侧输出节点后，两个方向相反的支路变化可在单端节点同向相加，提高有效信号转换；同时会引入镜像节点与额外寄生。^{1, 2}

成立条件 需要保持镜像管和输入管的工作区；高频时镜像极点会破坏低频加和关系

差分对用于：有源电流镜负载把差分支路电流合成为单端输出。

边界

电流镜不是精密基准的全部

镜像只能按器件和尺寸关系复制已有参考；参考值本身对电源、温度和工艺的稳定性需要由基准、反馈或校准解决，复制精度也不能优于其失配与输出余度边界。^{1, 2}

成立条件 应把基准生成误差与镜像分配误差分开预算；高精度系统还需核对封装应力与温度梯度

关联

电流镜的完整规格是多维约束

一个可用电流镜至少要同时说明目标比例、允许误差、输出电压范围、输出电阻、噪声、功耗、温度范围、建立时间、负载和版图匹配条件；只报告静态电流比会隐藏多数失效模式。^{1, 2}

成立条件 规格口径应绑定测试节点与带宽；仿真需覆盖PVT、蒙特卡洛、启动与负载瞬态

出处

2 本教材 · 2 处引用

1
模拟CMOS集成电路设计
Behzad Razavi
- 第 5 章 §§5.1–5.2，第 122–132 页 支持：电流镜先把参考电流变成栅源电压；匹配器件的尺寸比建立理想电流比；相同W/L不是无条件的相同电流；电流镜可按整数单位器件构成比例；输出管需要顺从电压才能保持电流源工作区；沟道长度调制把VDS差变成镜像误差；简单镜的输出电阻首先受输出管ro限制；共源共栅以局部反馈提高输出电阻；高输出电阻与低电压余度不能同时无限提高；随机失配随有效面积增大通常减小；单位化与对称版图控制系统失配；偏置网络必须验证启动与稳定状态；尾电流镜设定差分对的总偏置；有源镜像负载可完成差分到单端电流合成；电流镜不是精密基准的全部；电流镜的完整规格是多维约束
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2
CMOS模拟集成电路设计（第3版）
Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg
- 第 4 章 §4.4，第 111–119 页 支持：电流镜先把参考电流变成栅源电压；匹配器件的尺寸比建立理想电流比；相同W/L不是无条件的相同电流；电流镜可按整数单位器件构成比例；输出管需要顺从电压才能保持电流源工作区；沟道长度调制把VDS差变成镜像误差；简单镜的输出电阻首先受输出管ro限制；共源共栅以局部反馈提高输出电阻；高输出电阻与低电压余度不能同时无限提高；随机失配随有效面积增大通常减小；单位化与对称版图控制系统失配；偏置网络必须验证启动与稳定状态；尾电流镜设定差分对的总偏置；有源镜像负载可完成差分到单端电流合成；电流镜不是精密基准的全部；电流镜的完整规格是多维约束
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公式提示

关键参数

常见误区

参考到输出的因果链

#电流镜先把参考电流变成栅源电压

#匹配器件的尺寸比建立理想电流比

#相同W/L不是无条件的相同电流

#电流镜可按整数单位器件构成比例

顺从范围与输出误差

#输出管需要顺从电压才能保持电流源工作区

#沟道长度调制把VDS差变成镜像误差

已知

步骤

#简单镜的输出电阻首先受输出管ro限制

#共源共栅以局部反馈提高输出电阻

精度、布局与动态

#高输出电阻与低电压余度不能同时无限提高

#随机失配随有效面积增大通常减小

#单位化与对称版图控制系统失配

#偏置网络必须验证启动与稳定状态

系统应用与边界

#尾电流镜设定差分对的总偏置

#有源镜像负载可完成差分到单端电流合成

#电流镜不是精密基准的全部

#电流镜的完整规格是多维约束

模拟CMOS集成电路设计

CMOS模拟集成电路设计（第3版）

电流镜先把参考电流变成栅源电压

匹配器件的尺寸比建立理想电流比

相同W/L不是无条件的相同电流

电流镜可按整数单位器件构成比例

输出管需要顺从电压才能保持电流源工作区

沟道长度调制把VDS差变成镜像误差

简单镜的输出电阻首先受输出管ro限制

共源共栅以局部反馈提高输出电阻

高输出电阻与低电压余度不能同时无限提高

随机失配随有效面积增大通常减小

单位化与对称版图控制系统失配

偏置网络必须验证启动与稳定状态

尾电流镜设定差分对的总偏置

有源镜像负载可完成差分到单端电流合成

电流镜不是精密基准的全部

电流镜的完整规格是多维约束