偏置電流源電路的對與錯
發(fā)布時間:2021-01-25 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】下面的電流源偏置電路究竟哪個結(jié)構(gòu)是對的?幾乎每個模擬IC課程都會講這個例子,可是始終有人搞不清楚。
下面的電流源偏置電路究竟哪個結(jié)構(gòu)是對的?幾乎每個模擬IC課程都會講這個例子,可是始終有人搞不清楚。
常見的電流源偏置電路
在介紹gm/Id的集成電路設(shè)計方法時,有一個實例就是設(shè)計一個簡單的電流源偏置,關(guān)于電流源偏置的原理也在其中仔細(xì)推導(dǎo)。
上圖中的兩個電路結(jié)構(gòu)是應(yīng)聘模擬集成電路設(shè)計崗位時最常見的電路結(jié)構(gòu)之一,經(jīng)常有面試官拿這個結(jié)構(gòu)出一些問題。
問題很簡單:假設(shè)所有MOS管都工作在飽和區(qū),NMOS尺寸比例如圖中標(biāo)注所示(K>1),那么上圖中哪個電路工作的更好,給出合理的理由?
有兩個關(guān)于該電路的推導(dǎo),分別是輸出電流表達(dá)式與兩個NMOS跨導(dǎo)的比值,這兩個結(jié)論會在后面用到。
利用電流表達(dá)式,推導(dǎo)出 與 的跨導(dǎo)比值為:
對于初學(xué)者來說乍一看覺得兩個電路貌似一樣,都是NMOS的電壓差值通過電阻R產(chǎn)生電流,那么哪個才是正確的呢?
很多同學(xué)會在其它地方見到各種各樣的解釋,最終都告訴大家,右邊的電路才是可以穩(wěn)定工作的。
無外乎兩種說法,第一種說法:圖(a)中是正反饋,圖(b)中是負(fù)反饋;第二種說法:兩個圖中電路都是正反饋,不過圖(a)中反饋系數(shù)大于1,圖(b)中反饋系數(shù)小于1。
以上兩種說法到底哪種是正確?回答這個是需要具體計算和推導(dǎo)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候首先要有一個認(rèn)識:對于偏置電路中尺寸比為K:1的和,接成源極負(fù)反饋的形式時,兩個NMOS的比值為:
上圖中從紅色標(biāo)記處斷開環(huán)路,假設(shè)紅色標(biāo)記處有一個電流擾動,那么流過和的電流為 ,按照逆時針方向分析:
通過PMOS電流鏡,流過和的電流為;
通過和的鏡像關(guān)系之后,流過的電流現(xiàn)在為;
經(jīng)過上面兩個過程,可見電流通過環(huán)路之后被放大了倍,該電路是一個正反饋,如果,那么該電路反饋系數(shù)大于1(顯然成立)。
上圖中從紅色標(biāo)記處斷開環(huán)路,假設(shè)紅色標(biāo)記處有一個電流擾動,那么流過和的電流為,按照順時針方向分析:
通過PMOS電流鏡,流過和的電流為;
通過和的鏡像關(guān)系之后,流過的電流現(xiàn)在為 ;
經(jīng)過上面兩個過程,可見電流通過環(huán)路之后被縮小了倍,該電路是一個正反饋,如果,那么該電路反饋系數(shù)小于1(顯然成立)。
通過上面的兩個簡單分析,可以得到結(jié)論:上面兩個圖中電路都是正反饋,不過圖(a)中反饋系數(shù)大于1,圖(b)中反饋系數(shù)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有詳細(xì)的推導(dǎo),如果還不能說服你,那么可以閱讀以下具體的環(huán)路增益推導(dǎo)過程,假設(shè)按照圖中標(biāo)注斷開環(huán)路,并加入小信號干擾,計算環(huán)路增益。
假設(shè)在 的柵極斷開環(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(gòu)成:
第一部分:由柵極到柵極的共源極放大器增益:
第二部分:由柵極到柵極的共源極放大器增益:
所以上面電路的環(huán)路增益為:
可見該電路是一個正反饋,如果,那么該電路反饋系數(shù)大于1(顯然成立),所以該電路無法穩(wěn)定工作。
假設(shè)在的柵極斷開環(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(gòu)成:
第一部分:由柵極到柵極的共源極放大器增益:
第二部分:由柵極到柵極的共源極放大器增益:
所以上面電路的環(huán)路增益為:
可見該電路是一個正反饋,如果,那么該電路反饋系數(shù)小于1(顯然成立),所以該電路可以穩(wěn)定工作。
通過上面的環(huán)路增益求解,可以得到結(jié)論:上面兩個圖中電路都是正反饋,不過圖(a)中反饋系數(shù)大于1,圖(b)中反饋系數(shù)小于1,所以圖(a)電路無法穩(wěn)定工作,圖(b)中電路可以穩(wěn)定工作。
電路仿真驗證
下面通過兩個簡單的電路仿真對比,驗證計算結(jié)果的正確性,為了利用之前的電路,這里采用PMOS結(jié)構(gòu)電流源偏置電路。
分別采用stb仿真得到上面兩個電路的幅頻特性曲線,分析環(huán)路的增益與反饋類型,結(jié)合仿真結(jié)果判斷理論計算與仿真結(jié)果是否一致。
首先觀察正確電路的仿真結(jié)果,從環(huán)路相頻曲線可以看到,該電路是個正反饋電路,從增益曲線可以看到該電路環(huán)路增益小于1。
另一個電路的仿真結(jié)果如上所示,從環(huán)路相頻曲線可以看到,該電路是個正反饋電路,從增益曲線可以看到該電路環(huán)路增益大于1。
按照上面推導(dǎo)結(jié)果,結(jié)合原理圖中器件的尺寸比值,發(fā)現(xiàn)理論計算與仿真結(jié)果十分吻合,以上是關(guān)于電流源偏置電路的討論和結(jié)論。
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