电流镜与共源共栅电流镜输出电阻的核心差异
在模拟集成电路设计中，电流镜（Current Mirror）是构建电流源、偏置电路和差分放大器的关键模块。其核心性能指标之一便是输出电阻，它直接影响电流复制的精度与稳定性。本文将重点分析传统电流镜与共源共栅电流镜（Cascode Current Mirror）在输出电阻方面的差异，并从结构原理、频率响应及实际应用角度进行深入探讨。
1. 传统电流镜的输出电阻分析
传统单级电流镜由两个匹配的晶体管（如MOS管或BJT）构成，其中输入管工作在饱和区，输出管作为电流源。其输出电阻主要由输出管的沟道长度调制效应（Channel Length Modulation, CLM）决定：
- 输出电阻公式为：$ R_{out} \approx \frac{1}{\lambda I_D} $，其中 $ \lambda $ 为沟道长度调制系数，$ I_D $ 为输出电流。
- 由于 $ \lambda $ 通常不为零，输出电阻有限，导致电流复制误差随负载电压变化而增大。
- 在低电压、高精度系统中，该特性成为主要限制因素。
2. 共源共栅电流镜的输出电阻提升机制
共源共栅结构通过在输出管上方增加一个“共源共栅管”（Cascode transistor），有效抑制了输出端电压对输出电流的影响。其核心优势在于：
- 降低沟道长度调制影响：共源共栅管稳定了输出管的栅极电压，使输出管工作在更稳定的饱和区，显著减小 $ \lambda $ 的影响。
- 输出电阻提升至 $ R_{out} \approx \frac{1}{\lambda I_D} + \frac{1}{g_m^{cascode}} \cdot \left( \frac{1}{\lambda I_D} \right) $：理论值可提升数十倍甚至上百倍，尤其在深亚微米工艺下表现突出。
- 提高电源抑制比（PSRR）：对电源波动不敏感，适合高精度、低噪声系统。
3. 实际应用中的权衡与选择
尽管共源共栅电流镜输出电阻更高，但需考虑以下代价：
- 需要额外的晶体管，占用更多面积。
- 压降增加（至少两倍阈值电压），限制了动态范围。
- 可能引入非线性失真，需优化偏置设计。
因此，在要求高输出阻抗、高精度的场合（如运算放大器偏置、基准电流源），共源共栅结构是首选；而在面积敏感或低压系统中，传统电流镜仍具实用性。
