CMOS運(yùn)放設(shè)計(jì)-關(guān)于電流鏡分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2022-05-18
小信號(hào)是大信號(hào)工作在固定偏置點(diǎn)下電路體現(xiàn)，那么為了得到我們需要的小信號(hào)性能，例如運(yùn)放的增益，BW，GBW，PM，那么一個(gè)重要的前提就是電路要工作在小信號(hào)需要的偏置點(diǎn)上。
偏置點(diǎn)可以選擇的自由度是很多的，例如對(duì)一個(gè)MOS管，Vgs，Vds，Vbs等等都是可以設(shè)置的，但是對(duì)于模擬CMOS電路，大部分電路偏執(zhí)點(diǎn)有一個(gè)前提：
MOS管工作在飽和區(qū)
注：現(xiàn)在很多電路的MOS管也工作在亞閾值區(qū)，但這種情況和飽和區(qū)比較相似，因此本文暫時(shí)忽略工作在亞閾值的情況。
如何讓運(yùn)放的MOS管工作在飽和區(qū)
單級(jí)共源放大器
讓我們以上圖為例，研究如何讓這個(gè)共源放大器的MOS管都工作在飽和區(qū)。 這是一個(gè)電流源負(fù)載的共源放大器，其中M2作為電流源使用，其電流是通過(guò)Vb提供的。在這個(gè)放大器中，需要的偏置電壓包括：
Vb偏置M2
Vin雖然是輸入電壓，但是其電壓值在一個(gè)固定電壓值附近波動(dòng)，這個(gè)固定電壓值就是M1的偏置電壓
對(duì)于如何讓他們工作在飽和區(qū)，我們通過(guò)大信號(hào)的思路去分析：
Vb偏置M2，產(chǎn)生一個(gè)電流I2；
Vin偏置M1，產(chǎn)生一個(gè)電流I1；
直觀地，或者說(shuō)根據(jù)KCL，I1=I2；
假設(shè)M1和M2均工作在飽和區(qū)，根據(jù)Vb和Vin的值以及平方律模型，它們產(chǎn)生電流I1，I2；
如果I1剛好等于I2，那么他們工作在飽和區(qū)的假設(shè)成立；
如果I1>I2，由于它們的電流需要相等，因此Vout會(huì)適當(dāng)減小，通過(guò)降低M1的Vds1，增大M2的|Vds2|，調(diào)節(jié)他們的電流相等；
如果這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，vds1仍然滿足Vds1>Vod1,那么M1仍然工作在飽和區(qū)；如果不滿足，那么M1就工作在線性區(qū)；
I1<I2的情況也可根據(jù)上述進(jìn)行分析；
在上述過(guò)程中，造成M1或M2被擠壓到線性區(qū)的本質(zhì)是，M1和M2假設(shè)他們工作在飽和區(qū)產(chǎn)生的電流I1和I2不相等，且相差較大。因此，為了避免該情況的發(fā)生，就需要合理地設(shè)置Vb和Vin。
差分輸入，差分輸出放大器
針對(duì)上圖的差分輸入，差分輸出，我們可以做類似的分析。首先，在工作點(diǎn)時(shí)，差分輸入為0，兩個(gè)輸入被偏置在輸入共模電壓上，這個(gè)時(shí)候差分運(yùn)放的左右工作在對(duì)稱，也就是相同的狀態(tài)，以左邊為例：
上半部分的電流是由Vb3偏置M7確定的，工作電流為I1；
下半部分的電流因?yàn)檩斎氩罘蛛妷簽?，左右各分ISS/2的電流；
假設(shè)I1和ISS/2是所有晶體管工作在飽和區(qū)的電流值，如果I1>ISS/2,那么X點(diǎn)電壓Vx會(huì)升高，通過(guò)調(diào)小M5和M7的|Vds|來(lái)減小I1，同時(shí)M1，M3，M9的Vds會(huì)增大，從而增大ISS/2，以此來(lái)讓I1和ISS/2相等；
如果Vx升高太多，那么就會(huì)把M5或者M(jìn)7擠入線性區(qū)；
I1<ISS/2的情況也可以作此分析
因此，為了讓所有晶體管工作在飽和區(qū)，那么就要讓Vb3和Vb4合理地選擇以滿足ISS/2=I1。
從上文可知，讓運(yùn)放工作在飽和區(qū)地關(guān)鍵是運(yùn)放地上半部分（PMOS部分）和下半部分（NMOS部分）按照飽和區(qū)的工作狀態(tài)產(chǎn)生的電流相等。那最好的方式就是讓他們從一個(gè)電流源拷貝過(guò)來(lái)，如下圖所示。
電流鏡偏置運(yùn)放
在上圖中，如果IREF1和IREF2是一個(gè)電流源而來(lái)，通過(guò)Mb2和M7，Mb1和M9合適的比例設(shè)置，就可以滿足上文的要求。 為了更好地匹配，實(shí)際電路中，Mb2和M7，Mb1和M9通常采用相同的W/L，通過(guò)改變并聯(lián)個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以保證在不同PVT下拷貝都很精準(zhǔn)。
共模反饋的作用
然而，即使我們?cè)倬牡卦谇胺抡鏁r(shí)候設(shè)計(jì)，實(shí)際到后仿真，tape-out，因?yàn)槠骷洌衔拿枋龅碾娏飨嗟纫矌缀醪豢赡艹霈F(xiàn)，而且這樣去匹配本身就違背了魯棒性的原則。這就體現(xiàn)了共模反饋電流的重要性。
共模反饋電路
如上圖所示，通過(guò)共模反饋電路環(huán)路去調(diào)節(jié)“上”，“下”電流中的一個(gè)，讓兩者相等，這樣可以更魯棒地實(shí)現(xiàn)上文的電流相等要求，讓運(yùn)放的所有晶體管工作的飽和區(qū)。 即使有共模反饋電路的“加持”，但上節(jié)提到的匹配設(shè)計(jì)還是很有必要，它可以減輕共模反饋電路的負(fù)擔(dān)，也是一種更為模塊，規(guī)整的設(shè)計(jì)思路。
總結(jié)
通過(guò)本文，我們可以看出，其實(shí)運(yùn)放的晶體管就是電流鏡的拷貝晶體管，而偏置電路就是一個(gè)電流鏡的源頭。
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