电流镜的失调及消除

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作者：131v1vv  

本文来源于作者EETOP论坛帖子及作者公众号：不忘初心的模拟小牛牛
集成电路中的器件失配（Mismatch）普遍存在。特别是在先进制程中，当工艺的特征尺寸（feature size）逼近原子的物理尺寸以及光刻机射线的波长时，器件沟道长度和宽度的偏差(Variation)的相对比例会逐渐增大。工艺流程中湿度，温度等各种因素都会对器件的参数变化有影响。
可以这样说，即使在同一个die里，设计相同的器件，经过制造过程，总是存在着多多少少的差异。
代工厂（Foundry）通过对工艺流程的严格把控，尽可能的把偏差降低到比较小的范围。图1是芯片的生产过程中，存在的Die-to-Die，Wafer-to-Wafer，Lot-to-Lot的差异。Foundry提供的器件Model中，通常都会把这些偏差进行建模等效，协助工程师进行电路设计。
图片
图1
失配通常会对模拟电路有很大影响，在设计阶段需要充分考虑。比如表现为运放的输入失调电压，电流镜的镜像误差。也可能导致量产时候良率损失的重要因素。
在许多高精度电路设计中，运放或比较器几毫伏的失调，可能会导致系统出现异常功能。电路设计过程中，需要充分失调来源及其影响。考虑失调的消除方式和代价。
当然Mismatch通常都可以通过电路和版图的优化设计，来减小。这就需要在失调电路所需的成本和对电路性能提高之间折衷。
本期仍以电流镜为例，简单讨论下其失调来源及消除方式，作为电流镜系列聊聊电流镜（上）和聊聊电流镜（下）的补充内容吧。
如图2，从MOSFET器件的长沟道模型I-V公式来看。其中影响参数包括u，Cox，W/L, Vth，VDS，λ等，存在着随机或系统失配，
图2
阈值VTH算是器件最重要的参数了，工艺流程中，通常都有阈值调整的Mask，从而保证阈值符合预期。尽管如此，实际的阈值仍然存在着接近高斯分布的偏差，如图3。偏差量的标准差和器件面积的关系可以用AVT的参数表示。



图3
假如AVT=2mVum，如果MOS器件的WL=1um^2,则通过计算简单估算阈值失配3σ(VTH)=6mV。
除了阈值VTH，其他工艺参数也存在随机分布的情况。比如工艺提供的测试结果通常会包含VTH_gm、Idsat、Δβ/β等的偏差计算公式，帮助设计人员选择器件尺寸。当然除了MOSFET外，电阻，二极管，三极管，电容都存在偏差，各种器件的偏差，对构成的复杂电路系统的影响，通常需要借助EDA工具协助分析和评估。
实际上，在先进工艺节点中（40nm以下），和版图相关的效应，如LOD、WPE、PSE、OSE及DFM、STI等都对器件有着比较明显的影响，可能导致失配。图4列出了造成失配的可能因素。


图4
对于简单的电流镜，我们分析一下失配对于镜像比率偏差的影响，以及考虑如何减小其影响。如图5，其中β和VTH都可以通过增大面积减小失配的标准差，并且通过增加过驱动电压VGS-VTH可以减小阈值偏差对总电流偏差的贡献。


图5
那么问题来了，有哪些方法可以提高电流镜像的准确度那？如图6所示。


图6
方法1就是通过牺牲面积和电压裕度尽可能的提高匹配精度。方法2和方法3分别通过源极退化和trimming方式，减小失配，提高镜像精度，实现方式如图7所示。


图7
方法4的动态元件匹配（Dynamic Element Matching）算是一种比较进阶的提高匹配精度的方式。下面以1:1的例子说明DEM的原理（1:1时，也称之为Chopping）。
如图8所示，通过时序控制开关，切换M1和M2分别作为输入和输出管子。其中Φ和Φn是占空比为50%的时钟信号，如果M1和M2存在ΔI的失配电流。输出电流Iout具有幅度为ΔI的纹波(Ripple)，纹波频率和时钟信号频率一致。从时域上理解，通过切换镜像管，相当于求平均值，消除失配量。
注意，时钟本身占空比偏离50%，也会导致失配ΔI无法完全消除。
图8
从频域上理解，如图9，就是将失配量调制傅里叶变换到较高频率，失调量表现为谐波分量的能量。可通过低通滤波器滤出失配量。由于滤波器的非理想特性，需要设置好其带宽，将高频失配分量尽可能的衰减到较低的幅度。从时域上看到的纹波就会变得较小。
其中滤波器是结合负载实现的，主要是decap电容和负载形成的RC低通滤波。
图9
DEM同样可以用在1:N、M:N的镜像关系中时，这时需要时钟电路配合，产生特定的控制时序，通过轮源切换的方式，动态消除镜像器件的失配量。
这里给出一个更复杂的匹配方法。如图10，也就是通过比较两个电流镜对，通过在已有的Bank中轮流选择和当前匹配最好的比较，最后剩下的是匹配最好，称之为Survivor方式。参考文献列在最后，有兴趣的可以查阅下原文章。
图10