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偏置電流源電路的對與錯

發(fā)布時(shí)間：2021-01-25 責任編輯：lina

【導讀】下面的電流源偏置電路究竟哪個(gè)結構是對的？幾乎每個(gè)模擬IC課程都會(huì )講這個(gè)例子，可是始終有人搞不清楚。
 
下面的電流源偏置電路究竟哪個(gè)結構是對的？幾乎每個(gè)模擬IC課程都會(huì )講這個(gè)例子，可是始終有人搞不清楚。
 
常見(jiàn)的電流源偏置電路
 
在介紹gm/Id的集成電路設計方法時(shí)，有一個(gè)實(shí)例就是設計一個(gè)簡(jiǎn)單的電流源偏置，關(guān)于電流源偏置的原理也在其中仔細推導。
 
偏置電流源電路的對與錯

上圖中的兩個(gè)電路結構是應聘模擬集成電路設計崗位時(shí)最常見(jiàn)的電路結構之一，經(jīng)常有面試官拿這個(gè)結構出一些問(wèn)題。
 
問(wèn)題很簡(jiǎn)單：假設所有MOS管都工作在飽和區，NMOS尺寸比例如圖中標注所示（K>1），那么上圖中哪個(gè)電路工作的更好，給出合理的理由？
 
有兩個(gè)關(guān)于該電路的推導，分別是輸出電流表達式與兩個(gè)NMOS跨導的比值，這兩個(gè)結論會(huì )在后面用到。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
利用電流表達式，推導出  與 的跨導比值為：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)乍一看覺(jué)得兩個(gè)電路貌似一樣，都是NMOS的電壓差值通過(guò)電阻R產(chǎn)生電流，那么哪個(gè)才是正確的呢？
 
很多同學(xué)會(huì )在其它地方見(jiàn)到各種各樣的解釋?zhuān)罱K都告訴大家，右邊的電路才是可以穩定工作的。
 
無(wú)外乎兩種說(shuō)法，第一種說(shuō)法：圖(a)中是正反饋，圖(b)中是負反饋；第二種說(shuō)法：兩個(gè)圖中電路都是正反饋，不過(guò)圖(a)中反饋系數大于1，圖(b)中反饋系數小于1。
 
以上兩種說(shuō)法到底哪種是正確？回答這個(gè)是需要具體計算和推導的。
 
從電流角度理解該電路的反饋特性
 
從電流角度理解上面偏置電路的時(shí)候首先要有一個(gè)認識：對于偏置電路中尺寸比為K:1的和，接成源極負反饋的形式時(shí)，兩個(gè)NMOS的比值為：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
上圖中從紅色標記處斷開(kāi)環(huán)路，假設紅色標記處有一個(gè)電流擾動(dòng)，那么流過(guò)和的電流為 ，按照逆時(shí)針?lè )较蚍治觯?/div>
 
通過(guò)PMOS電流鏡，流過(guò)和的電流為;
 
通過(guò)和的鏡像關(guān)系之后，流過(guò)的電流現在為;
 
經(jīng)過(guò)上面兩個(gè)過(guò)程，可見(jiàn)電流通過(guò)環(huán)路之后被放大了倍，該電路是一個(gè)正反饋，如果，那么該電路反饋系數大于1（顯然成立）。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
上圖中從紅色標記處斷開(kāi)環(huán)路，假設紅色標記處有一個(gè)電流擾動(dòng)，那么流過(guò)和的電流為，按照順時(shí)針?lè )较蚍治觯?/div>
 
通過(guò)PMOS電流鏡，流過(guò)和的電流為;
 
通過(guò)和的鏡像關(guān)系之后，流過(guò)的電流現在為 ;
 
經(jīng)過(guò)上面兩個(gè)過(guò)程，可見(jiàn)電流通過(guò)環(huán)路之后被縮小了倍，該電路是一個(gè)正反饋，如果，那么該電路反饋系數小于1（顯然成立）。
 
通過(guò)上面的兩個(gè)簡(jiǎn)單分析，可以得到結論：上面兩個(gè)圖中電路都是正反饋，不過(guò)圖(a)中反饋系數大于1，圖(b)中反饋系數小于1。
 
從電壓角度理解該電路的反饋特性
 
以上從電流角度的理解沒(méi)有詳細的推導，如果還不能說(shuō)服你，那么可以閱讀以下具體的環(huán)路增益推導過(guò)程，假設按照圖中標注斷開(kāi)環(huán)路，并加入小信號干擾，計算環(huán)路增益。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
假設在 的柵極斷開(kāi)環(huán)路，并加入小信號電壓激勵，那么環(huán)路增益可以由以下兩部分構成：
 
第一部分：由柵極到柵極的共源極放大器增益：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
第二部分：由柵極到柵極的共源極放大器增益：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
所以上面電路的環(huán)路增益為：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
可見(jiàn)該電路是一個(gè)正反饋，如果，那么該電路反饋系數大于1（顯然成立），所以該電路無(wú)法穩定工作。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
假設在的柵極斷開(kāi)環(huán)路，并加入小信號電壓激勵，那么環(huán)路增益可以由以下兩部分構成：
 
第一部分：由柵極到柵極的共源極放大器增益：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
第二部分：由柵極到柵極的共源極放大器增益：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
所以上面電路的環(huán)路增益為：
 
偏置電流源電路的對與錯
 
可見(jiàn)該電路是一個(gè)正反饋，如果，那么該電路反饋系數小于1（顯然成立），所以該電路可以穩定工作。
 
通過(guò)上面的環(huán)路增益求解，可以得到結論：上面兩個(gè)圖中電路都是正反饋，不過(guò)圖(a)中反饋系數大于1，圖(b)中反饋系數小于1，所以圖(a)電路無(wú)法穩定工作，圖(b)中電路可以穩定工作。
 
電路仿真驗證
 
下面通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的電路仿真對比，驗證計算結果的正確性，為了利用之前的電路，這里采用PMOS結構電流源偏置電路。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
分別采用stb仿真得到上面兩個(gè)電路的幅頻特性曲線(xiàn)，分析環(huán)路的增益與反饋類(lèi)型，結合仿真結果判斷理論計算與仿真結果是否一致。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
首先觀(guān)察正確電路的仿真結果，從環(huán)路相頻曲線(xiàn)可以看到，該電路是個(gè)正反饋電路，從增益曲線(xiàn)可以看到該電路環(huán)路增益小于1。
 
偏置電流源電路的對與錯
 
另一個(gè)電路的仿真結果如上所示，從環(huán)路相頻曲線(xiàn)可以看到，該電路是個(gè)正反饋電路，從增益曲線(xiàn)可以看到該電路環(huán)路增益大于1。
 
按照上面推導結果，結合原理圖中器件的尺寸比值，發(fā)現理論計算與仿真結果十分吻合，以上是關(guān)于電流源偏置電路的討論和結論。
 
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