專利名稱：低電壓操作電流鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種電流鏡，尤指一種低電壓操作電流鏡。
背景技術(shù)：
電流鏡是一種常用的模擬電路，用以產(chǎn)生一相同于輸入電流的輸出電流。一般簡單的電流鏡只需使用二個(gè)MOS晶體管即可完成，然而如果僅使用二個(gè)MOS晶體管來制作電流鏡，電流鏡易受外界干擾，當(dāng)外界電壓變動較大時(shí)，其輸出電流也變的較不穩(wěn)定。為了克服上述問題，使用四個(gè)MOS晶體管來制作電流鏡為一常用做法。
請參閱圖1(a)，是已知一使用四個(gè)MOS晶體管所制作的電流鏡示意圖，其包含一第一晶體管N1、一第二晶體管N2、一第三晶體管N3、一第四晶體管N4、一電阻R、一輸入電流源Iin、一第一電源端Vss、及一第二電源端Vdd。其中該第一晶體管N1的源極和該第二晶體管N2的源極連接于該第二電源端Vss，該第一晶體管N1的柵極、該第二晶體管N2的柵極、及該第三晶體管N3的汲極連接于該電阻R的第一端，該第四晶體管N4的源極連接于該第二晶體管N2的汲極，該第三晶體管M3的柵極、該第四晶體管N4的柵極，及該電阻R的第二端連接于該輸入電流源Iin，而該輸入電流源Iin連接于該第二電源端Vdd。
至于該第三晶體管N3的源極連接于該第一晶體管N1的汲極，該第一晶體管N1的基體、該第二晶體管N2的基體、該第三晶體管N3基體、及該第四晶體管N4的基體連接于該第一電源端Vss。透過圖1(a)電路，即可于輸出端(第四晶體管N4的汲極)獲得一相同于輸入電流源Iin的輸出電流Iout。
請參閱圖1(b)，其為已知另一使用四個(gè)MOS晶體管所制作的電流鏡示意圖，其同樣包含一第一晶體管N1、一第二晶體管N2、一第三晶體管N3、一第四晶體管N4、一電阻R、一輸入電流源Iin、一第一電源端Vss、及一第二電源端Vdd。與圖1(a)不同之處在于，該第三晶體管N3的基體連接于該第三晶體管N3的源極，而該第四晶體管N4的基體連接于該第四晶體管N4的源極，故其操作電壓較圖1(a)低。
圖1(a)及圖1(b)所示電流源雖然可以產(chǎn)生比較大的輸出阻抗，進(jìn)而使輸出電流Iout較不會因?yàn)橥饨珉妷鹤儎佣艿礁蓴_。但使用四個(gè)MOS晶體管的方式，勢必會提高系統(tǒng)的操作電壓，在一般操作電壓(例如5V)下沒有問題，但因?yàn)楝F(xiàn)今的信息產(chǎn)品為了省電，皆希望于低電壓(例如3.3V以下)下操作，故降低系統(tǒng)的操作電壓有其必要性。
正因如此，申請人有鑒于已知技術(shù)的缺點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)與研究，發(fā)明出本發(fā)明“低電壓操作電流鏡”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的另一目的為提供一種低電壓操作電流鏡，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于該輸入電流的輸出電流，其包含一電阻，其第一端是接收該輸入電流；一第一晶體管，其基體連接于其汲極；一第二晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；一第三晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；以及一第四晶體管，其汲極產(chǎn)生該輸出電流。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該電流鏡更包含一第一電源端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一電源端為一接地端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管的柵極連接于該電阻的第二端以接收一第一偏壓。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管的源極連接于該第一電源端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第二晶體管的柵極連接于該第一晶體管的柵極。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第二晶體管的源極連接于該第一電源端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第三晶體管的柵極連接于該電阻的第一端以接收一第二偏壓。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第三晶體管的源極連接于該第一晶體管的汲極。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第三晶體管的汲極連接于該電阻的第二端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第四晶體管的柵極連接于該第三晶體管的柵極。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第四晶體管的源極連接于該第二晶體管的汲極。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第四晶體管的基體連接于其源極。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為N型金氧半導(dǎo)體晶體管。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為P型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
本發(fā)明又一目的為提供一種低電壓操作電流鏡，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于該輸入電流的輸出電流，其包含一第一電源端；一電阻，其第一端接收該輸入電流；一第一晶體管，其柵極連接于該電阻的第二端以接收一第一偏壓，其源極連接于該第一電源端，而其基體連接于其汲極；一第二晶體管，其柵極連接于該第一晶體管的柵極，其源極連接于該第一電源端，而其基體連接于該第一晶體管的基體；一第三晶體管，其柵極連接于該電阻的第一端以接收一第二偏壓，其源極連接于該第一晶體管的汲極，其基體連接于該第一晶體管的基體，而其汲極連接于該電阻的第二端；以及一第四晶體管，其柵極連接于該第三晶體管的柵極，其源極連接于該第二晶體管的汲極，其基體連接于其源極，而其汲極產(chǎn)生該輸出電流。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一電源端為一接地端。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為N型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為P型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。


圖1(a)是已知一使用四個(gè)MOS晶體管所制作的電流鏡示意圖。
圖1(b)是已知另一使用四個(gè)MOS晶體管所制作的電流鏡示意圖。
圖2(a)是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的電流鏡示意圖。
圖2(b)是本發(fā)明另一較佳實(shí)施例的電流鏡示意圖。
圖3是圖1(b)及圖2(a)上一特定點(diǎn)的輸入電流與量測電壓對照比較圖。
圖4是圖1(b)及圖2(a)上另一特定點(diǎn)的輸入電流與量測電壓對照比較圖。
圖5是圖1(b)及圖2(a)的輸入電流與輸出電流對照比較圖。
具體實(shí)施例方式
在低電壓操作的應(yīng)用電路中，降低組成電流鏡MOS晶體管的柵極偏壓是很重要的。因?yàn)闁艠O偏壓一但降低，則操作電壓自然也會降低。因此，本發(fā)明提出一種電流鏡結(jié)構(gòu)，由提供比源極偏壓高的基體偏壓，以降低臨界電壓(Threshold Voltage，Vth)，進(jìn)而降低柵極偏壓。
請參閱圖2(a)，是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的電流鏡示意圖，該電流鏡用以接收一輸入電流Iin并產(chǎn)生一相同于該輸入電流的輸出電流Iout，其包含一第一晶體管N1、一第二晶體管N2、一第三晶體管N3、一第四晶體管N4、一電阻R、一輸入電流源Iin、一第一電源端Vss、及一第二電源端Vdd。
上述電阻R的第一端接收該輸入電流Iin；該第一晶體管N1的柵極連接于該電阻R的第二端以接收一第一偏壓，源極連接于該第一電源端Vss，而基體連接于其汲極；該第二晶體管N2的柵極連接于該第一晶體管N1的柵極，源極連接于該第一電源端Vss，而基體連接于該第一晶體管N1的基體；該第三晶體管N3的柵極連接于該電阻R的第一端以接收一第二偏壓，源極連接于該第一晶體管N1的汲極，基體連接于該第一晶體管N1的基體，而汲極連接于該電阻R的第二端；而該第四晶體管N4的柵極連接于該第三晶體管N3的柵極，源極連接于該第二晶體管N2的汲極，基體連接于其源極，而其汲極產(chǎn)生該輸出電流Iout。其中該第一電源端Vss為一接地端。而該第一晶體管N1、該第二晶體管N2、該第三晶體管N3、及該第四晶體管N4為N型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
由于基板效應(yīng)的關(guān)系，臨界電壓可以下列式子表示Vth=Vth0+γ(VSB+|2φF|-2φF)]]>在本發(fā)明中，該第三晶體管N3的基體連接于其源極，因此該第三晶體管N3的臨界電壓等于Vth0。而該第四晶體管N4的基體同樣連接于其源極，因此該第四晶體管N4的臨界電壓也等于Vth0。
而該第一晶體管N1的臨界電壓可以下列式子表示Vth,N1=Vth0+γ(VSD,N1+|2φF|-2φF)]]>因?yàn)樵摰谝痪w管N1的源汲極偏壓(VSD，N1)為負(fù)值，故其臨界電壓(Vth，N1)小于Cth0(一般為0.7V)。根據(jù)相同原理，該第二晶體管N2的源汲極偏壓(VSD，N2)同樣為負(fù)值，故其臨界電壓(Vth，N2)也小于Vth0，且該第二晶體管N2的臨界電壓相等于該第一晶體管N1的臨界電壓，因此，該第一晶體管N1及該第二晶體管N2的柵極偏壓可以下列式子表示Vg,N1=Vg,N2=Vth0+γ(VSD,N1+|2φF|-2φF)+2IinμnCox(LW)N1]]>由上式可知，因?yàn)門SD，N1＜0，所以γ(VSD,N1+|2φF|-2φF]]>為負(fù)值，因此該第一晶體管N1及該第二晶體管N2的柵極偏壓得以降低，進(jìn)而降低系統(tǒng)的操作電壓。
本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例如圖2(b)所示，其同樣包含一第一晶體管P1、一第二晶體管P2、一第三晶體管P3、一第四晶體管P4、一電阻R、一輸入電流源Iin、一第一電源端Vss、及一第二電源端Vdd。與圖2(a)不同之處在于，該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為P型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
今將圖1(b)及圖2(a)中的各個(gè)組件調(diào)整為適合10uA的輸入電流Iin，并將R設(shè)為40KΩ，量測圖1(b)及圖2(a)上的V1B及V1A的電壓變化，其結(jié)果如第三圖所示。仿真方法為將輸入電流Iin由0uA變化到40uA進(jìn)行觀察，由圖可知，V1A的節(jié)點(diǎn)電壓值被限制在MOS晶體管的臨界電壓(0.7V)下，當(dāng)輸入電流Iin大于18uA，圖2(a)的該第一晶體管N1及該第二晶體管N2已無法維持正常運(yùn)作，此時(shí)電流會經(jīng)由汲極流到基體而引起閂鎖(latch-up)。然而，在本發(fā)明希望的輸入電流為10uA時(shí)，V1A為0.3V，這并不會使該第一晶體管N1及該第二晶體管N2失效。
接著，量測圖1(b)及圖2(a)上的V2B及V2A的電壓變化，其結(jié)果如圖4所示。由圖可知，當(dāng)輸入電流Iin為10uA時(shí)，V2A比V1A低了150mV，這表示說如果將MOS晶體管的VSB設(shè)定為-0.3V時(shí)，由于基板效應(yīng)(body effect)的關(guān)系，可以將原本的臨界電壓由0.75V降至0.6V，進(jìn)而使操作電壓降低0.15V，如此對低電壓操作的系統(tǒng)而言，相當(dāng)實(shí)用。
請參閱圖5，是圖1(b)及圖2(a)的輸入電流與輸出電流對照比較圖。由圖可知，當(dāng)輸入電流Iin大于18uA時(shí)，圖2(a)的電流已有一部份流入基體之內(nèi)。
綜上所述，本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)可使用于輸入電流變化不大時(shí)，由降低晶體管的臨界電壓來降低晶體管的柵極偏壓，使得系統(tǒng)的操作電壓跟著降低，有效改善已知的技術(shù)缺失，因此具有產(chǎn)業(yè)價(jià)值，進(jìn)而達(dá)成本發(fā)明的目的。
本發(fā)明由本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員稍做改動，都不脫離權(quán)利要求書所保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種低電壓操作的電流鏡，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于該輸入電流之輸出電流，其包含一電阻，其第一端接收該輸入電流；一第一晶體管，其基體連接于其汲極；一第二晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；一第三晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；以及一第四晶體管，其汲極產(chǎn)生該輸出電流。
2.如權(quán)利要求1所述的一種低電壓操作的電流鏡，更包含一第一電源端，該第一電源端為一接地端。
3.如權(quán)利要求1所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管的柵極連接于該電阻的第二端以接收一第一偏壓。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管源極連接于該第一電源端；該第二晶體管的柵極連接于該第一晶體管的柵極；該第二晶體管的源極連接于該第一電源端；該第三晶體管的柵極連接于該電阻的第一端以接收一第二偏壓；該第三晶體管的源極連接于該第一晶體管的汲極；該第三晶體管的汲極連接于該電阻的第二端；該第四晶體管的柵極連接于該第三晶體管的柵極；該第四晶體管的源極連接于該第二晶體管的汲極；該第四晶體管基體連接于其源極。
5.如權(quán)利要求1所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為N型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
6.如權(quán)利要求1所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為P型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
7.一種低電壓操作的電流鏡，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于該輸入電流之輸出電流，其包含一第一電源端；一電阻，其第一端接收該輸入電流；一第一晶體管，其柵極連接于該電阻的第二端以接收一第一偏壓，其源極連接于該第一電源端，而其基體連接于其汲極；一第二晶體管，其柵極連接于該第一晶體管的柵極，其源極連接于該第一電源端，而其基體連接于該第一晶體管的基體；一第三晶體管，其柵極連接于該電阻的第一端以接收一第二偏壓，其源極連接于該第一晶體管的汲極，其基體連接于該第一晶體管的基體，而其汲極連接于該電阻的第二端；以及一第四晶體管，其柵極連接于該第三晶體管的柵極，其源極連接于該第二晶體管的汲極，其基體連接于其源極，而其汲極產(chǎn)生該輸出電流。
8.如權(quán)利要求7所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一電源端為一接地端。
9.如權(quán)利要求7所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為N型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
10.如權(quán)利要求7所述的一種低電壓操作的電流鏡，其中該第一晶體管、該第二晶體管、該第三晶體管、及該第四晶體管為P型金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
全文摘要
本發(fā)明為一種低電壓操作的電流鏡，用以接收一輸入電流并產(chǎn)生一相同于該輸入電流的輸出電流，其包含一電阻，其第一端接收該輸入電流；一第一晶體管，其基體連接于其汲極；一第二晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；一第三晶體管，其基體連接于該第一晶體管的基體；以及一第四晶體管，其汲極產(chǎn)生該輸出電流。
文檔編號G05F3/08GK1641509SQ200410000430
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月18日
發(fā)明者吳立德 申請人:華邦電子股份有限公司