CURRENT MIRROR – GƯƠNG DÒNG PHẢN CHIẾU CHÍNH XÁC TỪNG MICROAMPERE

Hùng Vũ

Sun, 24 Aug 2025

Trong thế giới vi mạch analog, dòng điện chính là “ngôn ngữ” để các khối mạch giao tiếp và vận hành. Giống như cách con người trao đổi thông tin bằng lời nói, các khối mạch khuếch đại, thiên áp, hoặc mạch bias tinh chỉnh cũng truyền tải tín hiệu bằng dòng điện.

Để có thể “sao chép” dòng điện từ một vị trí này đến vị trí khác trong chip mà vẫn đảm bảo độ chính xác tuyệt đối, kỹ sư vi mạch đã phát triển một công cụ mạnh mẽ và không thể thiếu: Current Mirror – hay còn gọi là Gương dòng.

1. CURRENT MIRROR LÀ GÌ?

Current Mirror là một mạch điện có chức năng tái tạo dòng điện đầu vào (Iin) tại một hoặc nhiều đầu ra (Iout), đảm bảo rằng dòng ra gần như bằng dòng vào hoặc có tỷ lệ nhất định theo thiết kế. Nói cách khác, đây là một “chiếc gương” phản chiếu dòng điện: không làm thay đổi độ lớn, mà chỉ thay đổi nơi xuất hiện và hướng chảy.

Trong công nghệ CMOS, Current Mirror thường được cấu tạo từ hai hoặc nhiều transistor MOSFET. Một transistor sẽ đóng vai trò nhận dòng vào (bias), trong khi các transistor còn lại sẽ “bắt chước” dòng đó tại các vị trí khác trong mạch. Miễn là các transistor được thiết kế đúng cách – nhất là về tỷ lệ W/L – thì dòng điện sẽ được sao chép một cách chính xác.

2. TẠI SAO PHẢI DÙNG CURRENT MIRROR?

Current Mirror là một trong những “khối xây dựng cơ bản” của thiết kế analog. Dù nhỏ gọn, nhưng chức năng của nó cực kỳ quan trọng:

• Cấp dòng thiên ổn định: Giúp mạch khuếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính tối ưu.
• Phân phối dòng chính xác: Thay vì dùng điện trở – vốn tốn nhiều diện tích và không chính xác với quá trình CMOS – Current Mirror có thể cung cấp dòng định mức chính xác.
• Giảm ảnh hưởng của nguồn điện và nhiệt độ: Nếu được thiết kế đúng, dòng gương có thể ổn định trước các thay đổi về nhiệt độ hoặc nhiễu từ nguồn cấp.
• Tối ưu diện tích silicon: Một mạch gương dòng nhỏ hơn nhiều so với mạch dùng điện trở tương đương, rất lý tưởng cho chip tích hợp cao.

3. CÁC KIỂU CURRENT MIRROR PHỔ BIẾN

Basic Current Mirror

Cấu hình cơ bản gồm 2 transistor có W/L giống nhau. Thiết kế đơn giản nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi điện áp ngõ ra (VDS), làm sai lệch dòng ra nếu không được kiểm soát tốt.

Cascode Current Mirror

Cấu trúc này thêm các tầng cascode để tăng trở kháng ngõ ra, giảm tác động của VDS lên dòng gương. Nhờ đó, dòng ra ổn định và chính xác hơn, đặc biệt khi tải thay đổi.

Wilson Mirror và Regulated Cascode

Đây là những cải tiến nâng cao nhằm tăng độ chính xác, giảm nhiễu và cải thiện matching. Thường được dùng trong các mạch analog hiệu suất cao như op-amp, ADC, DAC...

4. THÁCH THỨC KHI THIẾT KẾ CURRENT MIRROR

Dù nguyên lý nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực tế, thiết kế Current Mirror đòi hỏi kỹ thuật rất tinh tế:

• Matching transistor: Các transistor phải được match tốt về tỷ lệ W/L và được đặt gần nhau để giảm sai lệch do quá trình chế tạo (process variation).
• Voltage headroom: Cần đảm bảo điện áp đủ cao để các MOSFET hoạt động trong vùng bão hòa – nếu không, dòng gương sẽ bị méo.
• Nhiễu nhiệt và dòng rò: Với các ứng dụng dòng cực nhỏ (nanoampere hoặc picoampere), dòng rò và nhiễu sẽ gây ảnh hưởng rõ rệt.
• Mismatch về ngưỡng kích hoạt (Vth): Sự khác biệt nhỏ giữa Vth của các transistor có thể dẫn đến sai số dòng đáng kể, nhất là trong các mạch yêu cầu độ chính xác cao.

5. ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ANALOG

Current Mirror được dùng rộng rãi trong các mạch analog hiện đại:

• Mạch khuếch đại CMOS (op-amp): Cấp dòng bias cho các tầng đầu vào, tầng mirror...
• Mạch so sánh (comparator): Tạo dòng thiên ổn định và chính xác.
• DAC/ADC: Duy trì dòng chuẩn trong mạch chuyển đổi tín hiệu số – tương tự.
• Mạch reference và bias: Là nguồn dòng cho mạch tạo điện áp tham chiếu.
• Nguồn dòng chuẩn (Current Reference): Kết hợp với Bandgap Reference để tạo dòng ổn định không phụ thuộc nguồn và nhiệt độ.

6. KẾT LUẬN

Current Mirror là một trong những cấu trúc cốt lõi, đóng vai trò “xương sống” trong mọi hệ thống analog CMOS. Với khả năng phản chiếu dòng điện đến từng microampere – thậm chí nanoampere – một cách chính xác, nó chính là minh chứng cho sự tinh xảo và chính xác trong thiết kế vi mạch.

Nếu bạn đang bắt đầu hành trình khám phá thế giới analog, hãy dành thời gian tìm hiểu thật kỹ chiếc “gương dòng” này. Bởi vì nó không chỉ phản chiếu dòng điện, mà còn phản chiếu cả năng lực thiết kế, tư duy hệ thống, và trình độ kỹ thuật của chính bạn.