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(chēng)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(lái)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(lái)得到參考電流,通過(guò)在P點(diǎn)或者N點(diǎn)斷開(kāi)環(huán)路并加獨(dú)立源來(lái)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(wú)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(guò)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(chēng)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(kāi)始進(jìn)入工作點(diǎn);
工作時(shí),Vbiasn將T2導(dǎo)通,因?yàn)門(mén)2的寬長(zhǎng)比遠(yuǎn)大于T3,所以在流過(guò)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(guò)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(zhǎng)溝道的MOS管來(lái)說(shuō),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(lái)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(chēng)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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