四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院,四川 成都 611743

在科技迅速發(fā)展的今天，電路板的密度在不斷增高。電路設(shè)計質(zhì)量將影響電子設(shè)備的穩(wěn)定性，同時將影響電子產(chǎn)品發(fā)展的穩(wěn)定性、持續(xù)性。為保證電子設(shè)備可穩(wěn)定運行，設(shè)計人員需加強抗電磁干擾電流鏡電路設(shè)計。

1 電流模式電路

現(xiàn)階段，電流模式電路可替代部分電壓模式電路。與傳統(tǒng)電壓模式電路相比，電流模式電路具有信號轉(zhuǎn)移速度快、頻帶寬度較寬等優(yōu)勢。在傳統(tǒng)電壓模式電路中，為實現(xiàn)處理電流信號的目的，需在電路中設(shè)置高阻抗節(jié)點[1]。電流模式電路具有以下特征：電流信號與電壓信號的阻抗水平不同。電流信號阻抗較高，電壓信號阻抗較低，電流模式電路對阻抗負(fù)載的要求較低[2]；在大信號背景下，電流模式電路的工作效率較高，頻帶較寬；由于電流傳輸線性度對溫度敏感度較低，因而電流模式電路非線性失真較??；傳統(tǒng)電壓模式電路，為提升電路集成度、降低電路功耗，需要不斷降低電源電壓，如此將直接影響信號電壓，進而影響電子設(shè)備運行效果[3]。

1.1 電磁兼容性

電磁兼容指的是在電磁干擾背景下，電子設(shè)備或者電路依然可穩(wěn)定運行，電子設(shè)備或電路可有效抵抗外界信號干擾及內(nèi)部信號干擾，同時也不會影響其他電子設(shè)備或電路的穩(wěn)定運行[4]。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，MOS 管越來越小。因此，相同大小集成電路板上可集成的MOS 管數(shù)量也在不斷增多[5]，各個元件之間的信號干擾情況也在不斷加重。

為有效降低電流鏡電磁干擾問題，消除電磁干擾源、耦合路徑、電磁敏感設(shè)備這三方面的影響，才可有效解決電流鏡電磁干擾問題。本文研究了一種新型抗電磁干擾電流鏡電路。

1.2 T-spice 與MOS 管的spice 模型

目前，Spice 屬于使用較為廣泛的電路模擬軟件，T-Spice 電路模擬器則是用于模擬電路的一種電子程序。T-Spice 電路模擬器模型級別較多[6]。第一級模型與Spice 兼容；第二級模型考慮到MOS管的二級效應(yīng)；第三級模型比第二級模型更加先進；第四級模型可解決很多問題，主要包含飽和工作區(qū)的負(fù)輸出電導(dǎo)等。

2 抗電磁干擾鏡像電流源特點

由兩個對稱MOS 管共源共柵連接在一起，第一個MOS 管可把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殓R點電壓，由后一個MOS 管將此電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鬏敵?，?gòu)成基本鏡像電流源，其并不具備抗電磁干擾能力。此時需采用新型電路結(jié)構(gòu)，改善電流鏡結(jié)構(gòu)，從而提升電流鏡抗電磁干擾能力[7]。但是其抗電磁干擾效果不大，且穩(wěn)態(tài)輸出電流峰值比較大，穩(wěn)態(tài)電流平均值與直流偏置相符，并未出現(xiàn)“電荷泵”情況。

為解決柵極濾波電流鏡抗電磁干擾能力，研究人員研發(fā)了柵極間低通濾波電流鏡[8]。此電流鏡在電流輸入端與電流輸出端之間設(shè)置了電阻，從而形成低通濾波器結(jié)構(gòu)，但是將形成“電荷泵”，進而影響電流輸出的穩(wěn)定性。

通過設(shè)置源極跟隨器可將輸入柵極與鏡點隔離開來，以免非線性信號被處理，如此即便輸入端輸入干擾信號也不會影響輸入端直流信號[9]。雖然抗電磁干擾能力較高，同時并不會引發(fā)“電荷泵”情況，但是還需不斷提升直流反饋結(jié)構(gòu)電流鏡的抗電磁干擾能力。

3 新型抗電磁干擾電流鏡設(shè)計探究

3.1 主電路

本次研究依據(jù)遺傳演化電流鏡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析了遺傳演化電流鏡。直流反饋結(jié)構(gòu)可保證M1管柵極電位的穩(wěn)定性，并且vgs2較為穩(wěn)定（圖1）。

通過計算可知，此電流鏡抗電磁干擾能力較大，且電流鏡輸出端干擾信號峰值較小。假設(shè)干擾信號幅值為10 μA，頻率為10 MHZ，新型抗電磁干擾電流鏡瞬態(tài)仿真圖（圖2）。

圖1 新型抗電磁干擾電流鏡與其小信號電路Fig.1 Circuits of the new current mirror against electromagnetic interference and its small signal

圖2 EMI=10μA、EMI=30μA 時遺傳演化電流鏡仿真圖Fig.2 Simulation of genetic evolution current mirror when EMI=10μA&EMI=30μA

由此可見，雖然遺傳演化結(jié)構(gòu)電流鏡具有一定抗電磁干擾能力，但是若干擾信號幅值達到30μA，遺傳演化結(jié)構(gòu)電流鏡輸出端將形成直流偏移[10]。

3.2 高精度低功耗設(shè)計

高精度電流鏡需保證輸出阻抗較高、輸入阻抗較低，為滿足低壓環(huán)境下輸入及輸出電源較低，且需提升輸出阻抗及降低輸入阻抗的要求設(shè)計的輔助電路控制電壓源。我們可通過改善遺傳演化電流鏡，形成新型低壓高精度電流鏡[11]。其主要優(yōu)勢為：輸入阻抗較小、輸出阻抗較大、抗電磁干擾能力較強（見圖3）。

為實現(xiàn)低壓高精度電流鏡的這些優(yōu)勢，需優(yōu)化輸入、輸出支路設(shè)計：

為降低輸入阻抗及輸入端電壓，可在輸入端設(shè)置電流分流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，我們可利用MOS 管M5與漏極電流源形成共柵極放大器，MOS 管M1漏-源兩側(cè)的電流可補償由M5源端輸入的電流。共柵極放大器可放大輸入電壓，但是抗電磁干擾結(jié)構(gòu)并無變化，因而M3柵極電位、M1柵極電位等均有所提升，輸入端小信號電阻降低。假設(shè)通過M5的電流不變，我們可采用調(diào)節(jié)M5的柵極電位的方式調(diào)節(jié)其漏-源電壓，同時還可實現(xiàn)降低輸入電壓的目標(biāo)。

新型抗電磁干擾電流鏡設(shè)有C1、C2兩個電容，在此電流鏡中，電容C1的主要作用是在干擾信號放大之前，對其進行處理，以保證電流鏡輸入端電位穩(wěn)定，電容C2的主要作用處理被放大之后的干擾信號。在設(shè)計過程中，可在輸入端設(shè)置輸入電流分流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)降低輸入阻抗和及輸入端供電電壓的目標(biāo)，同時可有效提高電流鏡抗電磁干擾能力。輸出電流改變時，M2柵極電位將出現(xiàn)變化，同時新型抗電磁干擾電流鏡的輸出阻抗將增高。M2柵極電位較為穩(wěn)定，因此可采用適當(dāng)調(diào)整M1柵-源電壓的方式，降低系統(tǒng)誤差。

若新型抗電磁干擾電流鏡輸出電流變化，MOS 管M2柵極點位也將發(fā)生變化，隨著M2漏端連接的共源級放大器將輸入小信號電壓方法，通過小信號電阻的電流也將放大，MOS 管M6兩端電流鏡也將被放大。而MOS 管M2柵極電位穩(wěn)定，因而需控制輸入端MOS 管M1柵-源電壓（見圖4）。

圖3 高精度低功耗電流鏡電路Fig.3 Circuit of the current mirror with high precision and low power

圖4 抗電磁干擾電流鏡輸出阻抗小信號圖Fig.4 Circuit of output impedance small signal of current mirror against electromagnetic interference

研究發(fā)現(xiàn)，抗電磁干擾電流鏡優(yōu)勢較為明顯，低頻輸入時電流鏡抗阻在120 千歐，在高頻輸入時抗阻將明顯降低，就其主要原因為：在高頻輸入時，電容可充分發(fā)揮其作用，同時通過設(shè)置方針參數(shù)，可有效控制輸入電壓及輸出電壓值，如此可有效控制抗電磁干擾電流鏡系統(tǒng)誤差[12]。

3.3 新型電流鏡及直流反饋電流鏡的對比

表1 新型電流鏡及直流反饋電流鏡的抗電磁干擾能力Table 1 Anti-electromagnetic interference abilities of new type and DC feedback current mirrors

直流反饋電流鏡屬于傳統(tǒng)抗電磁干擾電流鏡，不會形成“電荷泵”，抗電磁干擾能力較強[13]。為兩種電流鏡輸入相同幅值直流偏置信號作為干擾信號，并對比兩種電流鏡的抗電磁干擾能力。

研究發(fā)現(xiàn)，新型抗電磁干擾電流鏡抗電磁干擾能力更強。同時，隨著干擾信號頻率不斷增高，其抗電磁干擾能力也將不斷上升（見表1）。

3.4 新型電流鏡與低通濾波電流鏡的對比

低通濾波電流鏡具有一定抗電磁干擾能力。為兩種電流鏡輸入相同幅值直流偏置信號作為干擾信號，并對比兩種電流鏡的抗電磁干擾能力。

研究發(fā)現(xiàn)，新型抗電磁干擾電流鏡抗電磁干擾能力較強，并且系統(tǒng)誤差較低，可有效提升電流鏡精度（見表2）。

表2 新型電流鏡及低通濾波電流鏡抗電磁干擾能力Table 2 Anti-electromagnetic interference abilities of new type and lowpass filtering current mirrors

由上圖及表格可知，新型電流鏡結(jié)構(gòu)抗電磁干擾能力較強且系統(tǒng)誤差較低。

4 結(jié)論

總之，基本電流鏡不具備抗電磁干擾能力，隨著電磁干擾日益嚴(yán)重，其在設(shè)備中的應(yīng)用將逐漸減少。本文主要分析了幾種傳統(tǒng)電流鏡，并依據(jù)遺傳演化電流鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計了新型抗電磁干擾電流鏡。通過研究對比可知，此種電流鏡抗電磁干擾能力較高，可有效避免“電荷泵”情況對電流的不良影響，保證復(fù)制電流精度。但是，為保證新型抗電磁干擾電流鏡運行效果，亟需深入研究輸出電阻、輸入電阻、沖擊幅值等方面的問題，并不斷優(yōu)化抗電磁干擾電流鏡結(jié)構(gòu)，以保證新型抗電磁干擾電流鏡運行的穩(wěn)定性及質(zhì)量，從而推動集成電路持續(xù)發(fā)展。