電路設(shè)計(jì)分享-自偏置電流鏡電路設(shè)計(jì)-KIA MOS管

電流鏡屬于模擬電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本模塊，可為其他模塊提供偏置電流，例如在放大器中提供偏置電流以形成尾電流源并確定直流偏置點(diǎn)。本文介紹一種自偏置的電流鏡，從原理出發(fā)，并以0.18um的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。

自偏置電流鏡原理

如圖一所示的電路，也稱之為Beta-multiply reference電路，其中M2的尺寸是M1的k倍。M3復(fù)制M4的電流，M2和M1的漏極電流相同，但是VGS并不相等。其中：

可以看出，參考電流與工藝參數(shù)、電阻和MOS管尺寸比例有關(guān)，所以合理的選擇電阻值和MOS管尺寸及比例就能得想要的參考電流。

圖一的電路會(huì)經(jīng)常拿來與圖二的電路相比較。這兩個(gè)電路看似很像，但有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，圖一的電路因?yàn)殡娮璧募尤胨p了環(huán)路增益而變得穩(wěn)定，而圖二的電路不穩(wěn)定。

兩者都是利用正反饋來得到參考電流，通過在P點(diǎn)或者N點(diǎn)斷開環(huán)路并加獨(dú)立源來分析環(huán)路增益，可以發(fā)現(xiàn)圖一所示電路的環(huán)路增益小于一，而圖二所示的電路環(huán)路增益大于一，導(dǎo)致不穩(wěn)定的正反饋，所以圖二所示的電路無法提供穩(wěn)定的參考電流。

對(duì)于圖一所示的自偏置的電流鏡，會(huì)存在另一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，那就是“零電流狀態(tài)”，換言之，就算提供了電源電壓，電路兩邊流過的電流可能為零，這依然是一種穩(wěn)定狀態(tài)，可以草率的理解為“簡(jiǎn)并”態(tài)。

因此，我們需要一個(gè)“刺激電路”，旨在將電路拉離“零電流狀態(tài)”，我們稱之為啟動(dòng)電路(start up ciucuit)，啟動(dòng)電路在初始時(shí)將電路啟動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)參考電流，主電路正常工作時(shí)啟動(dòng)電路應(yīng)該不影響主電路。如圖三所示為加了簡(jiǎn)單的啟動(dòng)電路的電流鏡。

初始時(shí)，M3、M4、T3的柵極電壓接近Vdd，M1、M2、T2柵極電壓接近于地，因此，T1導(dǎo)通并傳輸M3柵極到M1柵極的電流，此時(shí)電路脫離零電流狀態(tài)，開始進(jìn)入工作點(diǎn)；

工作時(shí)，Vbiasn將T2導(dǎo)通，因?yàn)門2的寬長比遠(yuǎn)大于T3，所以在流過同樣電流的情況下，T2的漏極電壓將會(huì)很低，使得T1截止，所以啟動(dòng)電路此時(shí)不影響主電路的工作狀態(tài)。

我們非常關(guān)注此電路對(duì)電源電壓的敏感性，通過分析我們知道參考電流對(duì)電源電壓的敏感度依賴于MOS管的輸出阻抗，輸出阻抗越大，敏感性越低。

對(duì)于長溝道的MOS管來說，輸出阻抗比較大，而對(duì)于短溝道的MOS管輸出阻抗比較低，所以在電源電壓變化使參考電流會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，為了減小敏感度，我們需要減小VDD變化時(shí)所引起的NMOS管漏源電壓的變化。

如圖四所示，加一個(gè)放大器用來鉗位M1、M2的漏極電壓，此時(shí)形成了一個(gè)串聯(lián)負(fù)反饋，增加了M2的輸出阻抗，增加的放大器也稱為輔助放大器(Auxiliary amplifier)。

具體的電路實(shí)施如圖5所示。

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