2.2 电流镜：简单结构与共源共栅的对照

2.2 电流镜与电流源：复制电流的两代技术

本节摘要：电流镜是模拟电路的"偏置货币发行局"——用一只基准管加一只输出管复制电流。本节对照两代技术：简单电流镜结构省、匹配好但输出电阻只有ro；共源共栅电流镜输出电阻抬gm乘ro倍、复制精度高一两个数量级，代价是多吃一个过驱动的电压余量。顺带给出失配公式（电流误差约两倍阈值失配除过驱动）、小电流镜的面积交换与宽摆幅改进思路。

2.1节反复出现"电流源负载"，本节回答它从哪来：几乎全部来自电流镜。理解了电流镜的两代对照，第4章运放的偏置网络就通了一半。

一、二极管连接：自己给自己接反馈

把MOS管的栅漏短接，就得到"二极管连接"器件：它的栅压自动调整到恰好流过所需电流的位置，等效一只阻值约1除gm的电阻。这只器件是电流镜的左半边——基准支路。右半边是同栅同源的第二只管子，两管栅源电压相同，电流按宽长比复制：Iout等于Iref乘W比L的比值。复制误差来自三个来源：沟道长度调制（两管VDS不同）、阈值失配（第8章的随机失配统计）、几何误差。其中失配项可定量：输出电流相对误差约等于两倍阈值失配除以过驱动——这就是"过驱动越大、电流镜越准"的由来，与1.2节"过驱动越大、速度越快"合并成同一个旋钮的两面。

二、两代电流镜的正面对照

共源共栅电流镜压制长度调制的机制与2.1节共源共栅放大器同源：输出管下面加一只共栅管，输出电压的波动先被共栅管的源极电位"稳住"——输出管VDS几乎不动，电流自然稳。计算输出电阻时从输出端看进去，得约gm乘ro乘ro。电流复制的改善还有第二层：共栅管的存在让输出管VDS被钳在基准支路设定的电位附近，两管VDS接近相等，长度调制引起的系统性失配被结构性消除。

图：简单电流镜与共源共栅电流镜结构对照

三、三个实用变体：面积、摆幅与小电流

小电流镜：要输出电流是基准的十分之一，把输出管加长（W/L取十分之一）比缩窄更省面积也更匹配；或采用1比K的结构。更极端的微安级电流用"折叠"思路：让小管工作在亚阈值附近，但精度随之变差。宽摆幅共源共栅：经典共源共栅镜的输出端最小电压是两个过驱动加一个余量，1.8伏电源下已显局促；宽摆幅版把共栅管偏置到刚好高于一个过驱动加一个阈值余量的电位，输出摆幅省回约一个过驱动——代价是需要一个专门的偏置电压发生器。调节型（增益提升）电流镜：用放大器钳位输出管VDS等于基准管VDS，输出电阻再抬一个开环增益倍，用于极高增益场合，4.2节的增益提升运放同出一源。

失配的定量式值得再强调一次：电流镜的电流相对误差约等于两倍阈值失配除以过驱动。设阈值失配2毫伏、过驱动0.2伏，误差约百分之二；过驱动提到0.3伏，误差降到约百分之1.3。要再往下压，只能靠版图手段（第8章的共质心与叉指）或更大面积——失配标准差与面积的开四次方成反比，面积翻十六倍失配才减半，这是模拟设计里著名的"面积税"。

本节要点回顾

• 二极管连接是自带负反馈的基准器件，等效电阻1除gm，构成电流镜左臂
• 复制误差三来源：长度调制、阈值失配、几何误差；失配项约两倍阈值失配除过驱动，过驱动是精度旋钮
• 共源共栅镜输出电阻抬约gm乘ro乘ro，误差从百分之几降到千分之几，代价是余量与偏置复杂度
• 宽摆幅变体用专门偏置发生器省回一个过驱动，低电源设计的标配
• 面积税：失配与面积开四次方成反比，精度翻倍要十六倍面积，第8章版图技术是对冲手段

延伸：电流镜的动态误差与频率行为

前文谈的都是直流误差，动态同样值得对照。简单电流镜的输出节点挂着自己的ro与负载电容，镜像带宽由RC决定，通常很快；共源共栅镜多了一层堆叠，共栅管的源极节点又引入一个高频极点，镜像电流在高频段出现相位滞后——电源抑制在高频恶化的一部分就来自这里。更隐蔽的是输出电容突变（负载是开关电容电路的场合）：瞬间的电流抽取让共栅管源极电位跳变，若该节点电容小、跳变大，输出管可能瞬间掉出饱和，表现为每次开关动作后电流镜要几十纳秒才恢复——对策是在共栅管源极对地加一只小电容（皮法级的十分之一）钳住电位波动。

选型上还有一条经验法则值得记录：基准支路的电流怎么定。基准电流大，基准管的过驱动可以取高，复制精度好，但基准功耗白白烧掉；基准电流小省电，但基准管本身进入亚阈值后，阈值失配被指数放大，所有复制输出跟着漂。甜点区通常在10到100微安，基准管过驱动0.2到0.3伏。这又是过驱动旋钮的一次出场：它同时是精度旋钮、速度旋钮与功耗旋钮，三个身份在电流镜这里看得最清楚。

• 补一条动态纪律：开关电容负载的电流镜要给共栅管源极加钳位电容，防瞬间掉出饱和

补充一个完整的数值对照把两代电流镜算穿。取基准电流100微安、两管过驱动0.25伏、阈值失配2毫伏、长度调制系数每伏0.1（简单镜）——简单镜的输出电阻约100千欧（1除以0.1除以100微安），负载电压摆动0.5伏时输出电流变化约5微安即百分之五；换共源共栅镜（共栅管跨导0.5毫西），输出电阻抬到0.5毫西乘100千欧乘100千欧约5兆欧，同样的摆动只引起百分之零点一的电流变化——五十倍的改善全来自一层堆叠。精度侧：失配项约两倍2毫伏除0.25伏即百分之1.6，两种结构同享（几何决定的），这就是共源共栅镜"压系统误差不压随机误差"的准确表述。做电路规划时把这两个百分之几与百分之0.1填进误差预算表，选型就不再是感觉而是算术。

最后登记一个初学者最常问的问题：电流镜的基准电流从哪来。链条是启动电路加自偏置环——带隙基准电压（第5章）加在电阻上产生PTAT电流，注入由运放闭环稳定的自偏置核心，输出多路复制。所以电流镜是偏置网络的末梢，源头是基准源；排查偏置问题时从末梢往源头查，先量各支路电流再查基准电压，顺序反了会多绕一大圈。