專利名稱：電流鏡器件和方法
技術(shù)領域：
本公開通常涉及電流鏡(current mirror)器件和使用電流鏡器件的方法。
背景技術(shù)：
電子器件技術(shù)的進步已經(jīng)導致了在工作期間消耗更少的功率的更小的器件。減 少的功耗通常是更小的器件特征和器件工作在較低供電電壓的結(jié)果。但是，隨著供電電 壓降低，器件工作通常變得對供電電壓中的波動更敏感。另外，一些器件包括多個電壓域 (domain)來容納以不同供電電壓工作的電路。但是，由第一電壓域的電路生成的第二電壓 域的供電電壓可能對第一電壓域的供電電壓的波動敏感。傳統(tǒng)的電流鏡電路需要對某些低電壓應用來說可能是不可接受的電壓供應的余 度(headroom)。另外，傳統(tǒng)電流鏡電路的輸出電流具有對于供電電壓的依賴性。另外，具 有快速電壓擺動的輸出可能引起在傳統(tǒng)電流鏡電路的晶體管的輸出、柵極和源極之間的耦 合。因此，傳統(tǒng)電流鏡電路可能對驅(qū)動低電壓、高頻率負載來說不實用。

發(fā)明內(nèi)容
在一具體實施例中，公開了包括電流鏡的電路，該電流鏡包括第一組晶體管和第 二組晶體管。第一組晶體管中的至少一個晶體管和第二組晶體管中的至少一個晶體管是處 于串疊(cascode)布局。該電路包括耦接到第一組晶體管的第一運算放大器。該電路還包 括耦接到第二組晶體管的第二運算放大器。在另一實施例中，該電路包括電流鏡，該電流鏡包括第一晶體管對和第二晶體管 對。該第一晶體管對包括第一晶體管和第二晶體管。該第二晶體管對包括串疊(cascode) 晶體管。該電路還包括具有耦接到第一晶體管和第二晶體管兩者的輸出的第一運算放大
ο在另一實施例中，該電路包括電流鏡，該電流鏡包括第一組晶體管和第二組晶體 管。第二組晶體管中的至少一個晶體管被設置為串疊(cascode)布局。該電路包括耦接到 第一組晶體管的第一運算放大器。該電路還包括耦接到第二組晶體管的第二運算放大器。 該電路包括耦接到第二組晶體管中的一個晶體管的電流源。第一運算放大器具有第一偏壓 的第一輸入，且第二運算放大器具有第二偏壓的第一輸入。第一組晶體管耦接于供電電壓。 第一偏壓不同于供電電壓。第二組晶體管中的第一晶體管耦接于到第一運算放大器的第二 輸入以定義第一反饋環(huán)。第一組晶體管中的一個晶體管的輸出被提供作為第二運算放大器 的第二輸入以定義第二反饋環(huán)。第二組晶體管中的第二晶體管具有驅(qū)動輸出電流的輸出。在另一實施例中，公開了使用電路器件的方法。該方法包括在耦接于第一組晶體 管的第一運算放大器的第一輸入處接收第一偏壓。該方法包括在耦接于第二組晶體管的第 二運算放大器的第一輸入處接收第二偏壓。第一組晶體管和第二組晶體管形成電流鏡。該 電流鏡耦接于供電電壓，且所述第一偏壓不同于該供電電壓。第二組晶體管中的第一晶體 管耦接于第一運算放大器的第二輸入，以定義第一反饋環(huán)。第一組晶體管中的一個晶體管
4的輸出被提供作為給第二運算放大器的第二輸入，以定義第二反饋環(huán)。所述第二組晶體管 中的第二晶體管具有驅(qū)動電流鏡的輸出電流的輸出。由電流鏡的各實施例提供的一個具體的優(yōu)點是魯棒(robust)的工作，因為輸出 電流對電壓供應的變化不敏感。另一個優(yōu)點是可以為電壓域提供保持在參考電壓電平的輸 出電壓電平，該輸出電壓電平獨立于電流鏡電路的供電電壓。另一優(yōu)點是由于在低供電電 壓下進行工作，能夠進行低功率操作。所公開的電流鏡電路器件可以驅(qū)動高頻振蕩器，其具 有較低供電電壓、更好的輸出阻抗和提高的對快速輸出電壓擺動的不敏感性。在瀏覽了包括以下部分的整個申請之后本公開的其他方面、優(yōu)點和特征將變得明 顯


、具體實施例和權(quán)利要求書。

圖1是電流鏡器件的第一實施例的電路圖；圖2是電流鏡器件的第二實施例的電路圖；圖3是使用電流器件的方法的實施例的流程圖；以及圖4是包括電流鏡電路的系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式參考圖1，圖示了電路器件100。該電路器件100包括第一運算放大器102和第二 運算放大器110。該電路器件100還包括電流鏡，該電流鏡包括諸如包括第一晶體管122 和第二晶體管132的第一對晶體管的第一組晶體管、和諸如包括第三晶體管124和第四晶 體管134的第二對晶體管的第二組晶體管。在第二組晶體管中的至少一個晶體管處于串疊 (cascode)布局。例如，晶體管124或晶體管134或兩者可以處于串疊布局。第一運算放 大器102耦接到第一晶體管122和第二晶體管132。該第一運算放大器102具有第一偏壓 (Vbiasl)的第一輸入104，且具有響應于從與第三晶體管124耦接的節(jié)點125提供的反饋 信號的第二輸入106。第二運算放大器110具有響應于與第一晶體管122耦接的節(jié)點123的第一輸入 114、以及響應于第二偏壓(Vbias2)的第二輸入112。在一具體實施例中，在輸入112處提 供的第二偏壓基本上是固定的，且與經(jīng)由電流路徑120和130提供給電流鏡的供電電壓118 的變化無關(guān)。在一具體例子中，第二偏壓可以被設置為可用電壓的范圍，比如供電電壓118 減去單個晶體管的漏極到源極飽和電壓。在第一電流路徑120中的晶體管122和124被耦接以從與節(jié)點125和地128耦接 的電流源126接收輸入。在第二電流路徑130中的晶體管132和134被耦接以在輸出節(jié)點 135處提供輸出電壓和輸出電流136。由第四晶體管134的輸出來提供輸出電流136。電流 鏡的輸出電壓受第二偏壓限制。在一具體實施例中，第一晶體管對(122和132)耦接到供電電壓118，且供電電壓 118不同于第一偏壓104和第二偏壓112。因此，通過使用偏壓104和112將供電電壓118 的變化與電路100的其他部分隔離。在工作期間，第三晶體管124的輸出被提供作為經(jīng)由節(jié)點125到第一運算放大器 102的輸入，以定義第一反饋環(huán)。另外，第一晶體管122的輸出被提供作為經(jīng)由節(jié)點123到第二運算放大器Iio的輸入，以定義第二反饋環(huán)。這些反饋環(huán)使得運算放大器102和110 維持與供電電壓118無關(guān)的恒定偏壓。在一具體實施例中，在定義電流鏡的第一組和第二組晶體管中的每個晶體管122、 124、132、134是如圖示的場效應型晶體管。適當?shù)膱鲂途w管的例子是金屬氧化物場 效應晶體管(MOSFET)。在圖2所示的另一實施例中，在電流鏡中的四個晶體管的每個是雙極晶體管型器 件。例如，第一晶體管222、第二晶體管224、第三晶體管232和第四晶體管234每個都是如 所示的雙極型器件。圖2所示的電路器件200的剩余部分基本上與關(guān)于圖1所示的元件類 似。參考圖3，示出了使用諸如在圖1和圖2中圖示的電路器件的電路器件的方法。使 用該電路器件的方法包括在302在耦接于第一組晶體管的第一運算放大器的第一輸入處 接收第一偏壓。第一運算放大器的例子是圖1中的第一運算放大器102或圖2中的第一運 算放大器202。第一偏壓的例子是在圖1中的輸入104處或在圖2中的輸入204處提供的 第一偏壓(Vbiasl)。該方法包括在耦接于第二組晶體管的第二運算放大器的第一輸入處接 收第二偏壓，如在304所示。被提供給第二運算放大器的第二偏壓的例子是圖1中被提供 給第二運算放大器110的第二偏壓(Vbias2) 112或在圖2中被提供給第二運算放大器210 的第二偏壓212。該方法還包括從電流源向在第二組晶體管中的至少一個晶體管提供電流。適當電 流源的例子是圖1所示的電流源126或圖2所示的電流源226。第二組晶體管可以包括諸 如圖1所示的晶體管124和134或圖2所示的晶體管224和234的第二晶體管對。該方法還包括基于在第一運算放大器的第二輸入處接收的第一反饋信號來調(diào)整 第一運算放大器的第一輸出，如在308所示。第二組晶體管中的第一晶體管耦接于到第一 運算放大器的第二輸入，來定義第一反饋環(huán)。例如，可以基于由耦接于節(jié)點125的第一反饋 環(huán)提供的、在第二輸入106處接收的反饋信號來調(diào)整第一運算放大器102的第一輸出，如圖 1所示。該方法還包括在310，基于在第二運算放大器的第二輸入處接收的第二反饋信號 來調(diào)整第二運算放大器的第二輸出。在第一組晶體管中的一個晶體管的輸出被提供作為到 第二運算放大器的第二輸入，以定義第二反饋環(huán)。例如，可以響應于對經(jīng)由節(jié)點123耦接的 晶體管122進行響應而提供的、經(jīng)由第二反饋環(huán)在114處接收的輸入來調(diào)整第二運算放大 器110的第二輸出116，如圖1所示。該方法還包括向電流鏡的第一組晶體管提供來自第一運算放大器的第一輸出，并 向電流鏡的第二組晶體管提供第二運算放大器的第二輸出，該電流鏡對來自電流源的電流 進行鏡像(mirror)以提供得到的輸出電流，如在312所示。例如，來自第一運算放大器102 的第一輸出108可以被提供給包括晶體管122、132、124、134的電流鏡，以便通過第一電流 路徑120提供的電流被鏡像，且然后經(jīng)由第二電流路徑130的晶體管的輸出來提供基本上 相等的電流，該第二電流路徑130的晶體管的輸出驅(qū)動基本上與輸入電流126匹配的輸出 電流136，如圖1所示。該方法還包括向高速模擬電路提供電流鏡的輸出電流，如在314所 示。輸出電流136或輸出電流236可以被提供給高速模擬電路，比如振蕩器或其他類似類 型的模擬電路。另外，與輸出電流136相關(guān)的輸出電壓可以被提供給不同的電壓域，其中不同的電壓域具有受被提供給第二運算放大器110的第二偏壓112限制的電壓供應。以此方 式，分離且隔離的電壓供應可以被提供給集成電路器件內(nèi)的不同電壓域。在具體實施例中，第二偏壓是固定的，且基本上是可以由參考電壓電路提供的穩(wěn) 定電壓。在一具體實施例中，諸如圖1中的供電電壓118或圖2中的供電電壓218的供電 電壓近似等于諸如圖1中的晶體管122或132的漏極到源極電壓的、第一組晶體管中的一 個晶體管的漏極到源極電壓(Vds)的四倍。在一具體實施例中，該供電電壓小于一伏特，且 在漏極到源極電壓近似是0. 2伏特的情況下可以近似等于0. 8伏特。參考圖4，圖示了包括諸如圖1和圖2所示的電路器件的串疊(cascode)電流鏡電 路的系統(tǒng)400的具體例示實施例。該系統(tǒng)400包括供電電壓源410，其經(jīng)由供電線408被提 供給包括兩個或多個運算放大器402的串疊電流鏡像電路。在一具體實施例中，具有運算 放大器402的電流鏡是諸如關(guān)于圖1或圖2所示電路的電路。串疊(cascode)電流鏡器件 402響應于電流源412，且在輸入414處接收電流。另外，串疊電流鏡器件402從參考電壓 電路406接收參考電壓404。在具體實施例中，參考電壓電路406可以是帶隙型參考電壓電 路，以提供基本上穩(wěn)定且固定的電壓。在一具體實施例中，參考電壓電路406提供第一偏壓 和第二偏壓作為到串疊電流鏡器件402的兩個運算放大器的輸入。該串疊電流鏡器件402 向代表性的高速模擬電路器件418提供輸出電流416和輸出電壓。在具體實施例中，高速 模擬電路器件418是振蕩器或類似的高頻電路。通過所公開的電路和系統(tǒng)，改進的電流鏡可以展示出較高的有效輸出阻抗、較低 的供電電壓和提高的對快速輸出電壓擺動的不敏感。兩個運算放大器環(huán)被用于調(diào)節(jié)在電流 鏡器件的串疊(cascode)布局中的頂部和底部晶體管對，以改進得到的輸出阻抗，且降低 供電電壓要求。另外，雖然已經(jīng)在圖1和圖2中示出了第一和第二電流路徑，但是應該理解， 可以添加另外的并行電流路徑以提供電流鏡的多個電流輸出。另外，可以使用另外的串疊 (cascode)晶體管來實現(xiàn)輸入電流源。在該情況下，電流鏡的每個路徑所需的最小電壓僅是 單個晶體管的漏極到源極飽和電壓的四倍，這近似等于0. 8伏特。另外，所公開的電路器件可以有益地提供可以快速調(diào)整到諸如振蕩器和類似應用 的高速模擬電路的電流鏡。通過所公開的電路器件，電流鏡的電流比(ratio)基本上獨立 于供電電壓。因此，相比于對電流鏡電路的供電電壓，所公開的電路具有對輸出電流的降低 的敏感性。如此，所公開的具有多個運算放大器的電流鏡電路提供了在低電壓處的高速模 擬電路器件操作的改進。在此描述的實施例的圖示意圖提供各種實施例的結(jié)構(gòu)的一般理解。該圖示不意圖 用作利用在此描述的結(jié)構(gòu)或方法的裝置和系統(tǒng)的所有元件和特征的完整描述。對本領域技 術(shù)人員來說，在瀏覽了該公開的情況下，許多其他實施例可以是明顯的?？梢岳煤蛷脑摴?開推導其他實施例，使得可以不脫離本公開的范圍而進行結(jié)構(gòu)上和邏輯上的替換和改變。 另外，這些圖示僅是代表性的，且不是按比例繪制的。在圖示內(nèi)的某些比例可以放大，而其 他比例可以縮小。雖然已經(jīng)在此圖示且描述了具體實施例，但是應該意識到，被設計以實現(xiàn) 相同或類似目的的任何隨后的布局都可以替換所示的具體實施例。該公開意圖覆蓋各種實 施例的任何和所有隨后的適應或變化。在瀏覽了該描述后，上述實施例的組合和在此未具 體描述的其他實施例對于本領域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，本公開和附圖將被視為 例示而不是限制。
提交了本公開的摘要，將其理解為它將不用于解釋或限制權(quán)利要求的范圍或意 思。另外，為了使本公開流線化，在前述具體實施例部分中，各種特征可以組合到一起或在 單個實施例中描述。該公開不被解釋為反映所要求保護的實施例需要比在每個權(quán)利要求中 明確引用的更多的特征的意圖。而是，如以下權(quán)利要求反映的，本發(fā)明的主題可以定于少于 任何公開的實施例的所有特征。因此，以下權(quán)利要求被并入具體實施例部分中，每個權(quán)利要 求自身作為定義各個要求保護的主題。上述公開的主題要被認為是例示的，且不是限制，且所附權(quán)利要求意圖覆蓋落入 本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有修改、改進和其他實施例。因此，到法律允許的最大限 度，本發(fā)明的范圍要由所附權(quán)利要求及其等效物的最寬可允許的解釋來確定，且不應該被 前述詳細描述來限制或約束。
權(quán)利要求
一種電路，包括電流鏡，包括第一組晶體管和第二組晶體管，所述第一組晶體管中的至少一個晶體管和所述第二組晶體管中的至少一個晶體管處于串疊(cascode)布局；耦接于所述第一組晶體管的第一運算放大器；以及耦接于所述第二組晶體管的第二運算放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述第一組晶體管是第一晶體管對，且所述第二組晶 體管是第二晶體管對，且該電路還包括耦接于第二晶體管對中的一個晶體管的電流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，所述第二晶體管對中的第二晶體管具有驅(qū)動輸出電流的輸出ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電路，其中，第一運算放大器具有第一偏壓的輸入，且第二運算放 大器具有第二偏壓的輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電路，其中，所述電流鏡的輸出電壓受所述第二偏壓限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中，第二晶體管對中的一個晶體管的輸出被提供作為給 第一運算放大器的輸入，以定義第一反饋環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電路，其中，第一晶體管對中的一個晶體管的輸出被提供作為給 第二運算放大器的輸入，以定義第二反饋環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中，所述第一晶體管對包括第一晶體管和第二晶體管，且 其中所述第二晶體管對包括第三晶體管和第四晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中，第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管 每個是場效應型晶體管器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的電路，其中，第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管 每個是雙極晶體管型器件。
11.一種電路，包括電流鏡，包括第一晶體管對和第二晶體管對，所述第一晶體管對包括第一晶體管和第 二晶體管，所述第二晶體管對包括串疊(cascode)晶體管；以及第一運算放大器，具有耦接于第一晶體管和第二晶體管兩者的輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電路，還包括耦接于第二晶體管對中的每個晶體管的第二運算 放大器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電路，還包括耦接于第二晶體管對中的一個晶體管的電流源， 且其中，電流源的輸入耦接于第一運算放大器的輸入。
14.一種電路，包括電流鏡，包括第一組晶體管和第二組晶體管，所述第二組晶體管中的至少一個晶體管 被設置為串疊(cascode)布局；耦接于第一組晶體管的第一運算放大器；耦接于第二組晶體管的第二運算放大器；耦接于第二組晶體管中的一個晶體管的電流源；其中，所述第一運算放大器具有第一偏壓的第一輸入，且第二運算放大器具有第二偏 壓的第一輸入；其中，第一組晶體管耦接于供電電壓，其中，第一偏壓不同于供電電壓；其中，第二組晶體管中的第一晶體管耦接于給第一運算放大器的第二輸入，以定義第 一反饋環(huán)；其中，第一組晶體管中的一個晶體管的輸出被提供作為第二運算放大器的第二輸入， 以定義第二反饋環(huán)；以及其中，第二組晶體管中的第二晶體管具有驅(qū)動輸出電流的輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電路，其中，第一組晶體管包括第一晶體管和第二晶體管，且其 中第二組晶體管包括第三晶體管和第四晶體管，且其中第一晶體管、第二晶體管、第三晶體 管和第四晶體管每個是場效應型晶體管器件。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電路，其中，所述輸出電路基本上對供電電壓的變化不敏感。
17.一種使用電路器件的方法，該方法包括在耦接于第一組晶體管的第一運算放大器的第一輸入處接收第一偏壓；在耦接于第二組晶體管的第二運算放大器的第一輸入處接收第二偏壓，第一組晶體管 和第二組晶體管形成電流鏡，該電流鏡耦接于供電電壓；其中，所述第一偏壓不同于該供電電壓；其中，第二組晶體管中的第一晶體管被耦接于第一運算放大器的第二輸入，以定義第 一反饋環(huán)；其中，第一組晶體管中的一個晶體管的輸出被提供作為第二運算放大器的第二輸入， 以定義第二反饋環(huán)；以及其中，所述第二組晶體管中的第二晶體管具有驅(qū)動電流鏡的輸出電流的輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述輸出電流基本上獨立于供電電壓的變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括從電流源向在第二組晶體管中的至少一個晶體管 提供電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述第二偏壓是固定的。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述供電電壓近似等于第一組晶體管中的一個晶 體管的漏極到源極電壓的四倍。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，所述供電電壓小于一伏特。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括向高速模擬電路提供電流鏡的輸出電流。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中，所述高速模擬電路是振蕩器。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，在該輸出處的輸出電壓被提供給不同的電壓域。
全文摘要
在一個實施例中，公開包括電流鏡的電路，該電流鏡包括第一晶體管對和第二晶體管對。該第一晶體管對包括第一晶體管和第二晶體管。該第二晶體管對包括串疊(cascode)晶體管。該電路還包括具有耦接于第一晶體管和第二晶體管兩者的輸出的運算放大器。
文檔編號G05F3/26GK101884020SQ200880119096
公開日2010年11月10日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者?？死贰·布伊延 申請人:桑迪士克公司