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  • CMOS运放设计,关于电流镜解析
    • 发布时间:2022-11-24 18:29:21
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    CMOS运放设计,关于电流镜解析
    工作点
    小信号是大信号工作在固定偏置点下电路体现,那么为了得到我们需要的小信号性能,例如运放的增益,BW,GBW,PM,那么一个重要的前提就是电路要工作在小信号需要的偏置点上。
    偏置点可以选择的自由度是很多的,例如对一个MOS管,Vgs,Vds,Vbs等等都是可以设置的,但是对于模拟CMOS电路,大部分电路偏执点有一个前提:
    MOS管工作在饱和区
    注:现在很多电路的MOS管也工作在亚阈值区,但这种情况和饱和区比较相似,因此本文暂时忽略工作在亚阈值的情况。
    运放与电流镜的关系
    如何让运放的MOS管工作在饱和区
    运放 电流镜
    单级共源放大器
    让我们以上图为例,研究如何让这个共源放大器的MOS管都工作在饱和区。 这是一个电流源负载的共源放大器,其中M2作为电流源使用,其电流是通过Vb提供的。在这个放大器中,需要的偏置电压包括:
    Vb偏置M2
    Vin虽然是输入电压,但是其电压值在一个固定电压值附近波动,这个固定电压值就是M1的偏置电压
    对于如何让他们工作在饱和区,我们通过大信号的思路去分析:
    Vb偏置M2,产生一个电流I2;
    Vin偏置M1,产生一个电流I1;
    直观地,或者说根据KCL,I1=I2;
    假设M1和M2均工作在饱和区,根据Vb和Vin的值以及平方律模型,它们产生电流I1,I2;
    如果I1刚好等于I2,那么他们工作在饱和区的假设成立;
    如果I1>I2,由于它们的电流需要相等,因此Vout会适当减小,通过降低M1的Vds1,增大M2的|Vds2|,调节他们的电流相等;
    如果这个调节过程中,vds1仍然满足Vds1>Vod1,那么M1仍然工作在饱和区;如果不满足,那么M1就工作在线性区;
    I1
    在上述过程中,造成M1或M2被挤压到线性区的本质是,M1和M2假设他们工作在饱和区产生的电流I1和I2不相等,且相差较大。因此,为了避免该情况的发生,就需要合理地设置Vb和Vin。
    运放 电流镜
    差分输入,差分输出放大器
    针对上图的差分输入,差分输出,我们可以做类似的分析。首先,在工作点时,差分输入为0,两个输入被偏置在输入共模电压上,这个时候差分运放的左右工作在对称,也就是相同的状态,以左边为例:
    上半部分的电流是由Vb3偏置M7确定的,工作电流为I1;
    下半部分的电流因为输入差分电压为0,左右各分ISS/2的电流;
    假设I1和ISS/2是所有晶体管工作在饱和区的电流值,如果I1>ISS/2,那么X点电压Vx会升高,通过调小M5和M7的|Vds|来减小I1,同时M1,M3,M9的Vds会增大,从而增大ISS/2,以此来让I1和ISS/2相等;
    如果Vx升高太多,那么就会把M5或者M7挤入线性区;
    I1
    因此,为了让所有晶体管工作在饱和区,那么就要让Vb3和Vb4合理地选择以满足ISS/2=I1。
    如何用电流镜偏置运放
    从上文可知,让运放工作在饱和区地关键是运放地上半部分(PMOS部分)和下半部分(NMOS部分)按照饱和区的工作状态产生的电流相等。那最好的方式就是让他们从一个电流源拷贝过来,如下图所示。
    运放 电流镜
    电流镜偏置运放
    在上图中,如果IREF1和IREF2是一个电流源而来,通过Mb2和M7,Mb1和M9合适的比例设置,就可以满足上文的要求。 为了更好地匹配,实际电路中,Mb2和M7,Mb1和M9通常采用相同的W/L,通过改变并联个数来实现,这样可以保证在不同PVT下拷贝都很精准。
    共模反馈的作用
    然而,即使我们再精心地在前仿真时候设计,实际到后仿真,tape-out,因为器件失配,上文描述的电流相等也几乎不可能出现,而且这样去匹配本身就违背了鲁棒性的原则。这就体现了共模反馈电流的重要性。
    运放 电流镜
    共模反馈电路
    如上图所示,通过共模反馈电路环路去调节“上”,“下”电流中的一个,让两者相等,这样可以更鲁棒地实现上文的电流相等要求,让运放的所有晶体管工作的饱和区。 即使有共模反馈电路的“加持”,但上节提到的匹配设计还是很有必要,它可以减轻共模反馈电路的负担,也是一种更为模块,规整的设计思路。
    总结
    通过本文,我们可以看出,其实运放的晶体管就是电流镜的拷贝晶体管,而偏置电路就是一个电流镜的源头。
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