共源共栅电流镜电路设计
前言电流镜是模拟集成电路设计中基本的电路单元之一，在电流拷贝，运放偏置等电路中极为常见，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，在高精度的模拟电路中被广泛使用。
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，对该电路而言，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。
该电路的最大缺点即为其“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，该电路显得“浪费”，因此不那么适用。而对一个不在意输出电压范围的电路，比如芯片中各种电流的简单拷贝，其电路简单，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电路，两者区别为产生m2(m4)的栅极偏置电压电路的不同。相同的是，为了使所有晶体管工作在饱和区，电路需要满足 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，由于电路的限制，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。这也是笔者在电路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电路需要多使用一个电阻，前者带来额外的功耗和电路复杂度，后者带来更大的面积（尤其在低功耗电路中），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电路，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。
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上图所示为简单的共源共栅电流镜，对该电路而言，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。
该电路的最大缺点即为其“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，该电路显得“浪费”，因此不那么适用。而对一个不在意输出电压范围的电路，比如芯片中各种电流的简单拷贝，其电路简单，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电路，两者区别为产生m2(m4)的栅极偏置电压电路的不同。相同的是，为了使所有晶体管工作在饱和区，电路需要满足 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，由于电路的限制，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。这也是笔者在电路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电路需要多使用一个电阻，前者带来额外的功耗和电路复杂度，后者带来更大的面积（尤其在低功耗电路中），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。
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