电流镜（Current Mirror）是一种在模拟集成电路中广泛使用的基本电路结构，其核心功能是复制（或按比例镜像）输入参考电流，并在输出端产生一个与输入电流相等或成固定比例的输出电流。其工作原理主要基于半导体器件（BJT或MOSFET）的匹配特性，以下是详细解释：
核心工作原理
-
核心器件匹配
电流镜通常由两个（或多个）工艺参数、尺寸和温度特性高度一致的晶体管（BJT或MOSFET）构成。这种匹配性是电流复制精度的关键。 -
建立参考电压
- 输入侧：参考电流（(I_{REF})）流入一个配置为二极管形式的晶体管（即栅极/基极与漏极/集电极短接，如BJT的基极-集电极短接，或MOSFET的栅极-漏极短接）。
- 电压固定：该二极管接法迫使晶体管工作在饱和区（MOSFET）或放大区（BJT），并在其两端产生一个固定的压降 (V{GS})（MOSFET）或 (V{BE})（BJT）。
-
镜像输出电流
- 共享控制电压：将输入侧产生的电压 (V{GS}) 或 (V{BE}) 同时施加到输出侧晶体管的对应端（栅极或基极）。
- 电流复制：由于输出侧晶体管与输入侧完全匹配，且控制电压相同，其输出电流 (I{OUT}) 将近似等于参考电流 (I{REF})（忽略二级效应）。
具体实现（以MOSFET为例）
VDD
│
│
┌─────┴─────┐
│ │
│ │
M1 (Diode) M2 (Mirror)
│ │
│ │
I_REF →─┤ I_OUT →─┘
│
GND-
输入侧（M1）：
- (I{REF}) 流入M1（栅极与漏极短接），M1工作在饱和区，产生 (V{GS1})。
- 满足饱和区电流方程：
[ I_{REF} = \frac{1}{2} \mun C{ox} \left(\frac{W}{L}\right)1 (V{GS1} - V_{TH})^2 ]
-
输出侧（M2）：
- M2的栅极与M1栅极并联（(V{GS2} = V{GS1})），若尺寸与M1相同（(\frac{W}{L})一致），则：
[ I_{OUT} = \frac{1}{2} \mun C{ox} \left(\frac{W}{L}\right)2 (V{GS2} - V{TH})^2 \approx I{REF} ] - 比例镜像：若M2的宽长比是M1的 (k) 倍（(\left(\frac{W}{L}\right)_2 = k \left(\frac{W}{L}\right)1)），则：
[ I{OUT} = k \cdot I_{REF} ]
- M2的栅极与M1栅极并联（(V{GS2} = V{GS1})），若尺寸与M1相同（(\frac{W}{L})一致），则：
关键误差因素
- 沟道长度调制效应（MOSFET）：
输出电流会随 (V_{DS}) 变化而波动。改进方案：使用级联电流镜或威尔逊电流镜。 - 基区宽度调制效应（BJT）：
类似MOSFET的沟道调制，可通过共射共基结构抑制。 - 阈值电压/β值失配：工艺波动导致晶体管参数不完全一致。
- 厄利电压（BJT）：影响BJT电流镜的精度。
核心特点
- 功能：电流复制、电流比例缩放、直流偏置生成。
- 优势：电路简单、面积小、易于集成。
- 限制：输出阻抗有限（可通过改进结构提升）、对电压波动敏感。
经典改进结构
- 威尔逊电流镜：提升输出阻抗，减少电流误差。
- 共源共栅电流镜：抑制沟道长度调制效应。
- 宽摆幅电流镜：扩大输出电压范围。
总结
电流镜的本质是利用匹配晶体管共享控制电压的特性实现电流复制。尽管存在工艺和物理效应带来的误差，通过改进电路结构可显著提升性能。它在放大器偏置、差分对负载、电流源等场景中不可或缺，是模拟IC设计的基石之一。如需深入细节，可进一步探讨具体器件类型（BJT/MOSFET）或改进结构的工作原理。
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