抗電磁干擾電流鏡的電路設計

四川托普信息技術職業學院,四川 成都 611743

在科技迅速發展的今天，電路板的密度在不斷增高。電路設計質量將影響電子設備的穩定性，同時將影響電子產品發展的穩定性、持續性。為保證電子設備可穩定運行，設計人員需加強抗電磁干擾電流鏡電路設計。

1 電流模式電路

現階段，電流模式電路可替代部分電壓模式電路。與傳統電壓模式電路相比，電流模式電路具有信號轉移速度快、頻帶寬度較寬等優勢。在傳統電壓模式電路中，為實現處理電流信號的目的，需在電路中設置高阻抗節點[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小；傳統電壓模式電路，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，電子設備或者電路依然可穩定運行，電子設備或電路可有效抵抗外界信號干擾及內部信號干擾，同時也不會影響其他電子設備或電路的穩定運行[4]。隨著集成電路技術的不斷發展，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；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的負輸出電導等。

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 管可把電流轉變為鏡點電壓，由后一個MOS 管將此電壓轉變為電流輸出，構成基本鏡像電流源，其并不具備抗電磁干擾能力。此時需采用新型電路結構，改善電流鏡結構，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，且穩態輸出電流峰值比較大，穩態電流平均值與直流偏置相符，并未出現“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置了電阻，從而形成低通濾波器結構，但是將形成“電荷泵”，進而影響電流輸出的穩定性。

通過設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“電荷泵”情況，但是還需不斷提升直流反饋結構電流鏡的抗電磁干擾能力。

3 新型抗電磁干擾電流鏡設計探究

3.1 主電路

本次研究依據遺傳演化電流鏡拓撲結構分析了遺傳演化電流鏡。直流反饋結構可保證M1管柵極電位的穩定性，并且vgs2較為穩定（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，雖然遺傳演化結構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，遺傳演化結構電流鏡輸出端將形成直流偏移[10]。

3.2 高精度低功耗設計

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）。

為實現低壓高精度電流鏡的這些優勢，需優化輸入、輸出支路設計：

為降低輸入阻抗及輸入端電壓，可在輸入端設置電流分流負反饋結構，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，但是抗電磁干擾結構并無變化，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。假設通過M5的電流不變，我們可采用調節M5的柵極電位的方式調節其漏-源電壓，同時還可實現降低輸入電壓的目標。

新型抗電磁干擾電流鏡設有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定，電容C2的主要作用處理被放大之后的干擾信號。在設計過程中，可在輸入端設置輸入電流分流負反饋結構，從而實現降低輸入阻抗和及輸入端供電電壓的目標，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柵極電位較為穩定，因此可采用適當調整M1柵-源電壓的方式，降低系統誤差。

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

研究發現，抗電磁干擾電流鏡優勢較為明顯，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，電容可充分發揮其作用，同時通過設置方針參數，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。

研究發現，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。

研究發現，新型抗電磁干擾電流鏡抗電磁干擾能力較強，并且系統誤差較低，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，新型電流鏡結構抗電磁干擾能力較強且系統誤差較低。

4 結論

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重，其在設備中的應用將逐漸減少。本文主要分析了幾種傳統電流鏡，并依據遺傳演化電流鏡結構設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，并不斷優化抗電磁干擾電流鏡結構，以保證新型抗電磁干擾電流鏡運行的穩定性及質量，從而推動集成電路持續發展。