CMOS運放設計-關于電流鏡分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-05-18
小信號是大信號工作在固定偏置點下電路體現，那么為了得到我們需要的小信號性能，例如運放的增益，BW，GBW，PM，那么一個重要的前提就是電路要工作在小信號需要的偏置點上。
偏置點可以選擇的自由度是很多的，例如對一個MOS管，Vgs，Vds，Vbs等等都是可以設置的，但是對于模擬CMOS電路，大部分電路偏執點有一個前提：
MOS管工作在飽和區
注：現在很多電路的MOS管也工作在亞閾值區，但這種情況和飽和區比較相似，因此本文暫時忽略工作在亞閾值的情況。
如何讓運放的MOS管工作在飽和區
單級共源放大器
讓我們以上圖為例，研究如何讓這個共源放大器的MOS管都工作在飽和區。 這是一個電流源負載的共源放大器，其中M2作為電流源使用，其電流是通過Vb提供的。在這個放大器中，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固定電壓值附近波動，這個固定電壓值就是M1的偏置電壓
對于如何讓他們工作在飽和區，我們通過大信號的思路去分析：
Vb偏置M2，產生一個電流I2；
Vin偏置M1，產生一個電流I1；
直觀地，或者說根據KCL，I1=I2；
假設M1和M2均工作在飽和區，根據Vb和Vin的值以及平方律模型，它們產生電流I1，I2；
如果I1剛好等于I2，那么他們工作在飽和區的假設成立；
如果I1>I2，由于它們的電流需要相等，因此Vout會適當減小，通過降低M1的Vds1，增大M2的|Vds2|，調節他們的電流相等；
如果這個調節過程中，vds1仍然滿足Vds1>Vod1,那么M1仍然工作在飽和區；如果不滿足，那么M1就工作在線性區；
I1<I2的情況也可根據上述進行分析；
在上述過程中，造成M1或M2被擠壓到線性區的本質是，M1和M2假設他們工作在飽和區產生的電流I1和I2不相等，且相差較大。因此，為了避免該情況的發生，就需要合理地設置Vb和Vin。
差分輸入，差分輸出放大器
針對上圖的差分輸入，差分輸出，我們可以做類似的分析。首先，在工作點時，差分輸入為0，兩個輸入被偏置在輸入共模電壓上，這個時候差分運放的左右工作在對稱，也就是相同的狀態，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；
下半部分的電流因為輸入差分電壓為0，左右各分ISS/2的電流；
假設I1和ISS/2是所有晶體管工作在飽和區的電流值，如果I1>ISS/2,那么X點電壓Vx會升高，通過調小M5和M7的|Vds|來減小I1，同時M1，M3，M9的Vds會增大，從而增大ISS/2，以此來讓I1和ISS/2相等；
如果Vx升高太多，那么就會把M5或者M7擠入線性區；
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，那么就要讓Vb3和Vb4合理地選擇以滿足ISS/2=I1。
從上文可知，讓運放工作在飽和區地關鍵是運放地上半部分（PMOS部分）和下半部分（NMOS部分）按照飽和區的工作狀態產生的電流相等。那最好的方式就是讓他們從一個電流源拷貝過來，如下圖所示。
電流鏡偏置運放
在上圖中，如果IREF1和IREF2是一個電流源而來，通過Mb2和M7，Mb1和M9合適的比例設置，就可以滿足上文的要求。 為了更好地匹配，實際電路中，Mb2和M7，Mb1和M9通常采用相同的W/L，通過改變并聯個數來實現，這樣可以保證在不同PVT下拷貝都很精準。
共模反饋的作用
然而，即使我們再精心地在前仿真時候設計，實際到后仿真，tape-out，因為器件失配，上文描述的電流相等也幾乎不可能出現，而且這樣去匹配本身就違背了魯棒性的原則。這就體現了共模反饋電流的重要性。
共模反饋電路
如上圖所示，通過共模反饋電路環路去調節“上”，“下”電流中的一個，讓兩者相等，這樣可以更魯棒地實現上文的電流相等要求，讓運放的所有晶體管工作的飽和區。 即使有共模反饋電路的“加持”，但上節提到的匹配設計還是很有必要，它可以減輕共模反饋電路的負擔，也是一種更為模塊，規整的設計思路。
總結
通過本文，我們可以看出，其實運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電流鏡的源頭。
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