カレントミラーについて(電流ミラーの精度の考慮を含む) - さわざわブログ@回路設計の社畜小屋

どうも、さわざわです。

今回はカレントミラーについて触れていこうと思うよ。今回は3弾構造で1弾目ではカレントミラーの基礎と、2弾目でカスコードカレントミラーについて勉強して、3弾目では低電圧カスコードカレントミラーにについて触れようと思うよ。カレントミラーもアナログ回路において電流を供給する際にリファレンスからカレントミラーを引いてくることがしょっちゅうで、アナログ回路界隈ではかなりレア度に低いものなので、よく知っていて損はないよ。みんなもよかったら勉強していってねい。

この記事を読めば、カレントミラーの使われ方や設計における注意点など基礎特性と課題についてわかります。

Contents

1 カレントミラーとは？
2 実際は正確なカレントミラーって大変！
3 その他精度を悪化させる要因
4 次回予告

カレントミラーとは？

カレントミラーってのはカレント、つまりは電流をミラーするものだよ。電流をミラーするってのは、電源や温度に依存しないようなリファレンス電流を作って、それを各回路ブロックに同じ電流になるようにミラーして持ってきたり、あるいはMOSのアスペクト比を変えて電流値を増やしたり減らしたり調整して持ってきたりするんだ。

実際の最も基本的なカレントミラーの回路図は以下のようになってるよ。ここで出力される電流がどうなるかって考えてみよう。

前提として、これら二つのMOSは飽和領域で動作させてる必要があるよ。そうなると、M1とM2に流れる電流って以下のようになってるよね。ここで二つのnchはゲートを共有してるので、V_gs1=V_gs2でI_refとI_oの比がどうなるかというと、

ってなるね。つまりはI_refが参照電流として決まった値の場合、駆動させたいブロックまで持ってきた電流I_oってのはMOSのアスペクト比を変えることで調整できるんだ。こんな感じでアナログ回路では幅広く使われるって感じ。

実際は正確なカレントミラーって大変！

上記は理想的なケースで、カレントミラー回路の概念的なものを説明したよ。でも実際ってこうはいかないってことを説明するよ。実際にはI_o/I_refには誤差が出てきてしまって、この誤差を抑えることがめっちゃ大事なんだ。

誤差の一番は、チャネル長変調効果が効いてくるってことで、上の電流式にはチャネル長変調効果が考慮されていないよね。チャネル長変調効果は以前の記事で説明してるので、よければ先に読んでみてね！
→チャネル長変調効果と出力抵抗について

んで、チャネル長変調効果を考慮すると電流式って以下のように変わってくるよね。

ここで、重要なのはV_ds1=V_ds2にしないと、アスペクト比だけで電流が決まらなくなってくるってことだね。正確にはV_ds2がV_ds1に揃うようにしたくても、以下のようにチャネル長変調効果があるため、V_ds2はV_ds1(=V_gs1)からずれていってしまい正確なI_refからずれていってしまうんだね。

これってM2の出力抵抗が小さいからチャネル長変調効果が著しく出てしまうんだったよね。なので対策は出力抵抗を上げるために、チャネル長を長くするか、カスコード構造にすること。次回ではカスコードカレントミラーについて触れてくよ。

その他精度を悪化させる要因

そのまえに、他にもカレントミラーの誤差の要因があるよ。それは2つのMOSの性能が正しく揃っていることだね。どういうことかっていうと、アスペクト比を変えることで電流の値は調整できるんだけど、この際WやLをいじってしまうとMOSのV_thだったり寄生容量の付き方が変わってきてしまうので、M1とM2の間で差分が生まれてしまうんだね(特にLはV_thにセンシティブなので、長チャネルかつM1M2でそろえることがマストになってくるよ)。なので実際はアスペクト比を変えるには以下のように、同じサイズをパラレルにおくことで調整することが一般的だよ。