【導(dǎo)讀】下面的電流源偏置電路究竟哪個(gè)結(jié)構(gòu)是對的？幾乎每個(gè)模擬IC課程都會(huì)講這個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)是對的？幾乎每個(gè)模擬IC課程都會(huì)講這個(gè)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(jì)方法時(shí)，有一個(gè)實(shí)例就是設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)電路結(jié)構(gòu)是應(yīng)聘模擬集成電路設(shè)計(jì)崗位時(shí)最常見的電路結(jié)構(gòu)之一，經(jīng)常有面試官拿這個(gè)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(gè)電路工作的更好，給出合理的理由？
有兩個(gè)關(guān)于該電路的推導(dǎo)，分別是輸出電流表達(dá)式與兩個(gè)NMOS跨導(dǎo)的比值，這兩個(gè)結(jié)論會(huì)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：
與 的跨導(dǎo)比值為：
對于初學(xué)者來說乍一看覺得兩個(gè)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(gè)才是正確的呢？
電壓差值通過電阻R產(chǎn)生電流，那么哪個(gè)才是正確的呢？很多同學(xué)會(huì)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(gè)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(gè)是需要具體計(jì)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(shí)候首先要有一個(gè)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(shí)，兩個(gè)NMOS的
比值為：
和，接成源極負(fù)反饋的形式時(shí)，兩個(gè)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(gè)電流擾動(dòng)
，那么流過
和
的電流為 ，按照逆時(shí)針方向分析：
，那么流過和的電流為 ，按照逆時(shí)針方向分析：通過PMOS電流鏡，流過
和的電流為;
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
;
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(gè)過程，可見電流通過環(huán)路之后被放大了
倍，該電路是一個(gè)正反饋，如果
，那么該電路反饋系數(shù)大于1（顯然成立）。
倍，該電路是一個(gè)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(gè)電流擾動(dòng)，那么流過
和
的電流為，按照順時(shí)針方向分析：
，那么流過和的電流為，按照順時(shí)針方向分析：通過PMOS電流鏡，流過和
的電流為;
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
;
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(gè)過程，可見電流通過環(huán)路之后被縮小了
倍，該電路是一個(gè)正反饋，如果
，那么該電路反饋系數(shù)小于1（顯然成立）。
倍，該電路是一個(gè)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(gè)簡單分析，可以得到結(jié)論：上面兩個(gè)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(jì)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(lì)，那么環(huán)路增益可以由以下兩部分構(gòu)成：
的柵極斷開環(huán)路，并加入小信號電壓激勵(lì)，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：
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：
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(gè)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。
，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(lì)，那么環(huán)路增益可以由以下兩部分構(gòu)成：
的柵極斷開環(huán)路，并加入小信號電壓激勵(lì)，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：
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：
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(gè)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。
，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(gè)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(yàn)證
下面通過兩個(gè)簡單的電路仿真對比，驗(yàn)證計(jì)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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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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