Зеркало тока Уилсона: принципы работы и особенности реализации.

Введение

Зеркало тока Вильсона — это трехвыводная схема (рис. 1), которая принимает входной ток на входном выводе и обеспечивает "зеркальный" источник или поглотитель тока на выходном выводе. Зеркальный ток является точной копией входного тока. Его можно использовать как источник тока Вильсона, подавая постоянный ток смещения на входную ветвь, как показано на рис. 2. Схема названа в честь Джорджа Р. Вильсона, инженера-конструктора интегральных схем, работавшего в Tektronix. Вильсон разработал эту конфигурацию в 1967 году, когда он и Барри Гилберт бросили друг другу вызов найти улучшенное зеркало тока за одну ночь, используя только три транзистора. Вильсон выиграл этот вызов.

Преимущества и ограничения

Существует ряд других возможных конфигураций токовых зеркал, помимо стандартного двухтранзисторного зеркала, которое может выбрать разработчик. Если пары транзисторов M1, M2 и M3, M4 точно согласованы, а входные и выходные потенциалы приблизительно равны, то, в принципе, статической ошибки нет: входные и выходные токи равны, поскольку в затвор MOSFET нет низкочастотного или постоянного тока. Однако всегда существуют рассогласования между транзисторами, вызванные случайными литографическими отклонениями в геометрии устройства и изменениями порогового напряжения между устройствами. Для длинноканальных MOSFET, работающих в режиме насыщения при фиксированном напряжении сток-исток, дренажный ток пропорционален размерам устройства и величине разности между напряжением затвор-исток и пороговым напряжением устройства, поскольку стандартное отклонение изменения порогового напряжения зависит от абсолютного размера устройств, минимального разрешения производственного процесса и напряжения на подложке и обычно составляет от 1 до 3 милливольт. Следовательно, чтобы вклад порогового напряжения в уравнении (9) составлял один процент или меньше, необходимо смещать транзисторы таким образом, чтобы напряжение затвор-исток превышало пороговое напряжение на несколько десятых вольта. Это имеет дополнительный эффект снижения вклада транзисторов токового зеркала в шум выходного тока, поскольку плотность шума дренажного тока в MOSFET пропорциональна крутизне и, следовательно, обратно пропорциональна. Аналогичным образом, требуется тщательная трассировка, чтобы минимизировать влияние второго геометрического члена в (9), который пропорционален. Один из вариантов – разделить транзисторы M1 и M2 на несколько параллельных устройств, расположенных в общей центрированной или переплетенной схеме с или без фиктивных защитных структур по периметру. Выходное сопротивление токового зеркала Вильсона на MOSFET можно рассчитать так же, как и для биполярной версии. Если в M4 отсутствует эффект тела, то низкочастотное выходное сопротивление определяется. В случае чрезвычайно низких напряжений питания, равных одному вольту или меньше, использование токовых зеркал может быть полностью исключено.

There are a number of other possible current mirror configurations in addition to the standard two transistor mirror that a designer may choose to use. If the transistor pairs M1 M2 and M3 M4 are exactly matched and the input and output potentials are approximately equal, then in principle there is no static error, the input and output currents are equal because there is no low frequency or DC current into the gate of a MOSFET. However, there are always mismatches between transistors caused by random lithographic variation in device geometry and by variations in threshold voltage between devices. For long channel MOSFETs operating in saturation at fixed drain source voltage, , the drain current is proportional to device sizes and to the magnitude of the difference between the gate source voltage and the device threshold voltage as The standard deviation of the threshold voltage variation depends on the absolute size of the devices, the minimum feature size of the manufacturing process, and the body voltage and is typically 1 to 3 millivolts. Therefore, to keep the contribution of the threshold voltage term in equation (9) to a percent or less requires biasing the transistors with the gate source voltage exceeding the threshold by several tenths of a volt. This has the subsidiary effect of lowering the contribution of the mirror transistors to the output current noise because the drain current noise density in a MOSFET is proportional to the transconductance and therefore inversely proportional to
Similarly, careful layout is required to minimize the effect of the second, geometric term in (9) that is proportional to One possibility is to subdivide transistors M1 and M2 into multiple devices in parallel that are arranged in a common centric or interdigitated layout with or without dummy guard structures on the perimeter. The output impedance of the MOSFET Wilson current mirror can be calculated in the same way as for the bipolar version. If there is no body effect in M4, the low frequency output impedance is given by In the case of extremely low power supply voltages of one volt or less, the use of current mirrors may be abandoned entirely.