一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路、环境光传感器的制作方法

本实用新型涉及集成电路技术领域。更具体地，涉及一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路及包含其的环境光传感器。

背景技术：

环境光传感器(ALS)可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。环境光传感器包括检测环境光的光电管和多级电流放大器，当光电管将环境光转换成光电流，多级电流镜放大器对光电流放大后输出，从而实现光—电转换。现实生活中，在电视机、电脑显示器、红外摄像头、手机、数码相机、智能开关等都需要用到环境光传感器。

传统的电流镜放大器在放大光电管转换成的光电流的同时也会放大前一级电流镜的漏电流，每一级的电流镜漏电流都会被后级电流镜放大，多级放大累加后的漏电流不可忽视。例如，当需要检测的环境光照度非常微弱的时候，光电管转换的光电流非常微弱，经过电流镜放大器放大输出的有效电流信号大小和输出的被放大的漏电流信号相差无几，甚至比漏电流小。这样，环境光传感器在微弱的光照下可能会输出错误的结果，影响环境光传感器的使用。

传统的环境光传感器如图1所示，包括光电转换电路和电流镜放大电路。环境光传感器包括光电管D0、D1，PMOS管P0、P1、P2、P3、P4、P5和 NMOS管N0、N1，其中，PMOS管S端电连接相同的高电位，PMOS管B 端电连接相同的高电位VDD，NMOS管S端电连接相同的低电位GND，NMOS 管B端电连接低电位GND。P0和P1是一对电流镜，且(W/L)_P0/(W/L)_P1＝1； P2和P3是一对电流镜，且K1＝(W/L)_P3/(W/L)_P2；P4和P5是一对电流镜，且 K3＝(W/L)_P5/(W/L)_P4；N0和N1是一对电流镜，且K2＝(W/L)_N1/(W/L)_N0；D0 和D1面积相同，D0用金属覆盖住不透光，D1上面没有金属等遮蔽物可以透光。D0的正极电连接低电位GND，D0负极电连接P0的D端，P0的G端电连接P0的D端，P1的G端电连接P0的G端，P1的D端电连接D1的负极， D1的正极电连接低电位GND，P2的G端和D端短接并电连接D1的负极，P3的G端电连接P2的G端，P3的D端电连接N0的D端，N0的D端和 N0的G端短接，电连接N1的G端，N1的D端电连接P4的D端和G端， P5的G端电连接P4的G端，P5的D端电连接输出端口I_out。

环境光传感器工作时，在有光照的条件下，D1将光照转换成光电流I₀，经过多级电流镜放大的光电流I_light＝K1*K2*K3*I₀。D1本身的噪声电流I_dark1被D0的噪声电流I_dark0抵消，I_dark0＝I_dark1，P0和P1尺寸相同。MOS管本身会有对低电位GND或高电位VDD的漏电，并且通过MOS管沟道的漏电流会被电流镜放大，前级的漏电流放大再累加最终从输出端和被放大的光电流一起输出。其中第一级的电流镜漏电被放大的倍数最大，也是输出总的漏电流主要来源，后级的电流镜也有漏电但是比第一级电流镜的漏电小很多可以忽略。从P2端流出的漏电流为I_LP2，从P3端流出的漏电流为I_LP3，第一级电流镜的漏电流是(K1*I_LP2+I_LP3)被多级电流镜放大后从P5的D端输出的噪声电流是I_leak≈K2*K3*(K1*I_LP2+I_LP3)，输出的总电流I_out＝I_leak+I_light。在微弱的光照下，I₀极其微弱，通常为pA级(10^-12A)，那么输出端I_leak与I_light相比，两者近似或者I_leak更大，则输出的I_out偏差严重，导致光传感器不能正常工作。

因此，需要提供一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的在于提供一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路，包括电流镜放大电路和抑制电流镜漏电流电路，其中

电流镜放大电路包括依次电连接的第一电流镜对、第二电流镜对和第三电流镜对，第一电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管，第二电流镜对包括沟道类型为第二沟道的两个MOS管，第三电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管；抑制电流镜漏电流电路包括依次电连接的第四电流镜对、第五电流镜对和第六电流镜对，第四电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管，第五电流镜对包括沟道类型为第二沟道的两个MOS管，第六电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管；

各电流镜对均包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的栅极和第二MOS管栅极相连后与第一MOS管漏极相连作为对应电流镜对的输入；第二MOS管的漏极作为对应电流镜对的输出；第一MOS管的源极和第二 MOS管的源极相连后根据沟道类型选择接高电位或低电位；

第一电流镜对的输入端与光电转换电路输出端相连，输出端与第二电流镜对的输入端相连；第三电流镜对的输入端与第二电流镜对的输出端相连，输出端为CMOS集成电路的输出端；第四电流镜对的输入端悬空，输出端与第五电流镜对的输入端相连；第六电流镜对的输入端与第五电流镜对的输出端相连，输出端与第三电流镜对的输入端相连；

其中第一沟道与第二沟道的沟道类型相反。

优选地，第一沟道为P沟道，第二沟道为N沟道；或第一沟道为N沟道，第二沟道为P沟道。

进一步优选地，当第一沟道为P沟道，第二沟道为N沟道，第一、第三、第四和第六电流镜对的第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后接高电平，第二和第五电流镜对的第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后接低电平；

当第一沟道为N沟道，第二沟道为P沟道，第一、第三、第四和第六电流镜对的第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后接低电平，第二和第五电流镜对的第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后接高电平。

优选地，第一电流镜对用于第一级电流放大；第二电流镜对用于第二级电流放大；第三电流镜对用于第三级电流放大。

优选地，第四电流镜对用于第一级漏电流抑制；第五电流镜对用于第二级漏电流抑制；第六电流镜对用于第三级漏电流抑制。

本实用新型的另一个目的在于提供一种包括上述CMOS集成电路的环境光传感器，该传感器还包括由第七电流镜对、光电管和暗管组成的光电转换电路；

第七电流镜对包括沟道类型为第一沟道的第一MOS管和第二MOS管，第七电流镜对第一MOS管的栅极和第七电流镜对第二MOS管栅极相连后与第七电流镜对第一MOS管漏极相连并经光电管连接高电平/低电平；第七电流镜对第二MOS管的漏极作为光电转换电路的输出并经暗管连接高电平/低电平；第七电流镜对第一MOS管的源极和第七电流镜对第二MOS管的源极相连后根据沟道类型选择接高电位或低电位。

优选地，光电管用于将光信号转换成电流信号；暗管用于抵消光电管的暗电流。

优选地，当第一沟道为P沟道，第二沟道为N沟道，第七电流镜对的第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后接高电平，光电管和暗管的正极接低电平；

当第一沟道为N沟道，第二沟道为P沟道，第七电流镜对的第一MOS 管的源极和第二MOS管的源极相连后接低电平，光电管和暗管的负极接高电平。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过设置抑制电流镜漏电流电路，为电流镜放大电路的第一级电流镜漏电流和第二级电流镜漏电流提供了其他通路，使电流镜放大电路的第一级电流镜漏电流和第二级电流镜漏电流不会进入电流镜放大电路的第三级电流镜的输入端，从而不会被第三级电流镜放大并输出。因此，保证了电流镜放大电路的低噪声系数，使得电路镜放大电路可以适应更高的要求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有的环境光传感器电路图。

图2示出实施例1中可抑制漏电流的环境光传感电路图。

图3示出实施例2中可抑制漏电流的环境光传感电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

本实用新型提供一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路，包括：电流镜放大电路和抑制电流镜漏电流电路。其中，电流镜电路包括PMOS电流镜和NMOS电流镜，抑制电流镜漏电流电路包括PMOS电流镜和NMOS 电流镜。抑制电流镜漏电流电路第一级电流镜和电流镜放大电路第一级电流镜类型相同，即都是PMOS电流镜或者都是NMOS电流镜。抑制电流镜漏电流电路第二级电流镜和电流镜放大电路第二级电流镜相同。抑制电流镜漏电流电路第三级电流镜和电流镜放大电路第三级电流镜相同。电流镜放大电路的输入端是电流镜放大电路第一级电流镜的输入端，电流镜放大电路的输出端是电流镜放大电路的第三级电流镜的输出端，抑制电流镜漏电流电路的输入端即第一级电流镜输入端悬空。抑制电流镜漏电流电路的输出端是抑制电流镜漏电流电路的第三级电流镜输出端，抑制电流镜漏电流电路的第三级电流镜输出端和电流镜放大电路的第二级电流镜输出端连接，并且和电流镜放大电路的第三电流镜输入端连接。

具体地，本实用新型提供一种用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路，包括电流镜放大电路和抑制电流镜漏电流电路，其中电流镜放大电路包括依次电连接的第一电流镜对、第二电流镜对和第三电流镜对，第一电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管，第二电流镜对包括沟道类型为第二沟道的两个MOS管，第三电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管；抑制电流镜漏电流电路包括依次电连接的第四电流镜对、第五电流镜对和第六电流镜对，第四电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管，第五电流镜对包括沟道类型为第二沟道的两个MOS管，第六电流镜对包括沟道类型为第一沟道的两个MOS管；各电流镜对均包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的栅极和第二MOS管栅极相连后与第一MOS管漏极相连作为对应电流镜对的输入；第二MOS管的漏极作为对应电流镜对的输出；第一 MOS管的源极和第二MOS管的源极相连后根据沟道类型选择接高电位或低电位；第一电流镜对的输入端与光电转换电路输出端相连，输出端与第二电流镜对的输入端相连；第三电流镜对的输入端与第二电流镜对的输出端相连，输出端为CMOS集成电路的输出端；第四电流镜对的输入端悬空，输出端与第五电流镜对的输入端相连；第六电流镜对的输入端与第五电流镜对的输出端相连，输出端与第三电流镜对的输入端相连；其中第一沟道与第二沟道的沟道类型相反。

实施例1

如图2所示，本实施例中，第一沟道为P沟道，第二沟道为N沟道。

本实施例提供的抑制电流镜漏电流的CMOS电路包括光电转换电路a、电流镜放大电路b和抑制电流镜漏电流电路c。

光电转换电路a包括光电管D0，光电管D1，PMOS管P0、P1，D0的正极电连接低电位GND，D0的负极电连接P0的D端，P0的G端电连接P0 的D端，P1的G端电连接P0的G端，P1的D端电连接D1的负极。D0和 D1面积相同，D0用金属等遮蔽层覆盖住不透光，D1上面没有遮蔽层可以透光，P0和P1是一对电流镜，(W/L)_P0/(W/L)_P1＝1。

电流镜放大电路b包括PMOS管P2、P3、P4、P5，和NMOS管N0、N1，所有的PMOS管S端电连接相同的高电位VDD，所有的PMOS管B端电连接相同的高电位VDD，所有的NMOS管S端电连接低电位GND，所有的 NMOS管B端电连接低电位GND。P0和P1是一对电流镜，(W/L)_P0/(W/L)_P1＝1， P2和P3是一对电流镜，K1＝(W/L)_P3/(W/L)_P2，P4和P5是一对电流镜， K3＝(W/L)_P5/(W/L)_P4，N0和N1是一对电流镜K2＝(W/L)_N1/(W/L)_N0，P2的G 端和D端短接并电连接D1的负极，P3的G端电连接P2的G端，P3的D端电连接N0的D端，N0的D端和N0的G端短接，N1的G端电连接N0的G 端，N1的D端电连接P4的D端和G端，P5的G端电连接P4的G端，P5 的D端电连接输出端口I_out。

抑制电流镜漏电流电路c包括PMOS管P2c、P3c、P4c和P5c，NMOS 管N0c和N1c。所有的PMOS管S端电连接高电位VDD，所有的PMOS管B 端电连接高电位VDD，所有的NMOS管S端电连接低电位GND，所有的 NMOS管B端电连接低电位GND。P2c的G端电连接P2c的D端和P3c的G 端且悬空，P3c的D端电连接N0c的D端和G端，N1c的G端电连接N0c 的G端，N1c的D端电连接P4c的D端和G端，P5c的G端电连接P4c的G 端，P5c的D端电连接N1的D端。P2c和P3c是一对电流镜 K1＝(W/L)_P3c/(W/L)_P2c，宽长和P2、P3相同。N0c和N1c是一对电流镜， K2c＝(W/L)_N1c/(W/L)_N0c，宽长和N0、N1相同。P5c和P4c是一对电流镜 K3c＝(W/L)_P5c/(W/L)_P4c,宽长和P4、P5相同。

本实施例中，第一电流镜对的第一MOS管为P2，第一电流镜对的第二 MOS管为P3；第二电流镜对的第一MOS管为N0，第二电流镜对的第二MOS 管为N1；第三电流镜对的第一MOS管为P4，第三电流镜对的第二MOS管为P5；第四电流镜对的第一MOS管为P2c，第四电流镜对的第二MOS管为 P3c；第五电流镜对的第一MOS管为N0c，第五电流镜对的第二MOS管为 N1c；第六电流镜对的第一MOS管为P4c，第六电流镜对的第二MOS管为 P5c；第七电流镜对的第一MOS管为P0，第七电流镜对的第二MOS管为P1。 D1为光电管，D2为暗管。

本实施例提供的用于抑制电流镜漏电流的CMOS集成电路工作原理如下： D0和D1面积相同，D1产生的漏电流I_dark1和D0产生的漏电流I_dark0相等， P0和P1尺寸相同。在某个固定的光照条件下，D1将光照转换成光电流I₀。流过P3的D端的电流I_P3包含两部分电流：一部分是电流镜本身的漏电流I_LM1＝K1*I_LP2+I_LP3，另一部分是光电流I₀。所以从P3的D端流出的电流 I_M1＝K1*I₀+(K1*I_LP2+I_LP3)，其中I_LP3是P3本身的漏电流，流过N1的D端的电流是I_M2＝K2*(I_M1+I_LN0)+I_LN1,其中，I_LN0是N0本身的漏电流，I_LN1是N1本身的漏电流。则从N1的D端流出的漏电流 I_LM2＝K1*K2*I_LP2+K2*(I_LP3+I_LN0)+I_LN1。抑制电流镜漏电流电路c模拟电流镜放大电路b的漏电流产生机制，电路结构相同，电流镜比例相同，使得从P5c 的D端流出的前级加自身漏电流I_LM2c＝I_LM2相等，则I_LM2不会流入P4也不会被放大进入输出端口。最终输出的电流I_out＝K1*K2*K3*I₀+K3*I_LP4+I_LP5，(I_LP4是P4本身的漏电流，I_LP5是P5本身的漏电流)其中I_light＝K1*K2*K3*I₀， I_leak＝K3*I_LP4+I_LP5，I_light比I_leak大得多。流片验证的结果如下：放大倍数 K1*K2*K3＝100000的电路结构的测试结果显示，在微弱的光照条件下，输出端输出的I_light是uA(10^-6A)级别，图1中传统光电环境光传感器的电路I_leak也在uA(10^-6A)级别，I_light和I_leak接近。而图2中用于抑制电流镜漏电流的CMOS 集成电路的I_leak是nA(10^-9A)级别，输出的总电流I_out是uA(10^-6A)级，I_light是 I_leak的百倍以上，I_leak可以忽略，漏电流不再影响到输出电流的结果，环境光传感器可以在光照很弱的地方正常工作。

实施例2

如图3所示，本实施例中，第一沟道为N沟道，第二沟道为P沟道。

应注意的是，本实用新型中，电流镜放大电路级数不应限制为三级，同样，抑制电流镜漏电流电路应与电流镜放大电路级数相对应。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。