#2 Current Mirror with Improved performance

그러면 이러한 Current Mirror의 성능을 향상시켜 봅시다.
Current Mirror에는 3가지 중요한 Parameter들이 있습니다.

1. 전류 전달비의 정확도: (Bipolar Mirror의 경우 Early Voltage 및 parameter beta의 영향도 받습니다.)
2. Output Resistance: 전압 이득을 높이기 위해서는 전류 거울의 출력 저항을 높여야 하며, 이를 위해 캐스코드(Cascode) 기법이 사용됩니다.
3. 최소 DC 전압: 전류원 양단에 정상적인 동작을 위해 필요한 최소한의 전압 값입니다.

이 중 Output Resistance를 높이기 위한 방법들을 알아보겠습니다.

 

먼저 Cascode MOS Mirror 입니다.
Cascode란 CS MOSFET에 CG MOSFET을 쌓아서 Output 저항을 높이는 방법입니다.

이 같은 캐스코드 전류원 부하를 이용하기 위해서는 전류 거울도 캐스코드로 달아주어야 합니다.
출력 임피던스는 $R_o = r_{o3} + r_{o2} + g_{m3}r_{o3}r_{o2} \simeq g_{m3}r_{o3}r_{o2}$ 가 됩니다.
단점으로는 전압의 dynamic range가 부족해집니다.

 

dynamic range 부족을 그나마 해결하기 위한 방법으로 Low Voltage Cascode 구조를 사용할 수 있습니다.

복잡해 보일 수 있는데 간단하게 이야기하자면
Cascode 단에 들어가는 입력을 만들어주는 Bias 회로가 한 줄 더 추가된 구조입니다.
이때 바이어스 전압은 $ V_{GS0} + (V_{GS1} - V_{TH1}) \le V_b \le V_{GS1} + V_{TH0} $을 만족하면 됩니다.

 

출력 저항을 높이는 방법으로 Wilson MOS Mirror 구조를 사용할 수도 있습니다.
계산은 등가화해서 해보시면 구할 수 있는데 Cascode와 유사하게 \(g_{m3}r_{o3}r_{o2}\)  가 됩니다.

두 번째 있는 그림은 Wison Mirror에서 양 회로의 균형을 맞추고 전류 오차를 방지하기 위한 구조입니다.
하지만 해당 구조는 일종의 Feedback 회로이기에 다른 BIAS에 복사하여 사용하기는 힘듭니다.
그래서인지 자주 사용하지는 않는다고 합니다.

 

출력 저항을 더 높이기 위해 Active 소자로 출력이나 입력에 Amp로 Regulate하여 사용하는 방법도 있습니다.
5TR AMP와 같은 구조에서도 mirror topology가 사용됩니다.