電路設計分享-自偏置電流鏡電路設計-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-07-06
電流鏡屬于模擬電路設計中的一個基本模塊，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。本文介紹一種自偏置的電流鏡，從原理出發，并以0.18um的工藝進行設計和仿真。
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、電阻和MOS管尺寸比例有關，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。
圖一的電路會經常拿來與圖二的電路相比較。這兩個電路看似很像，但有實質性的區別，圖一的電路因為電阻的加入衰減了環路增益而變得穩定，而圖二的電路不穩定。
兩者都是利用正反饋來得到參考電流，通過在P點或者N點斷開環路并加獨立源來分析環路增益，可以發現圖一所示電路的環路增益小于一，而圖二所示的電路環路增益大于一，導致不穩定的正反饋，所以圖二所示的電路無法提供穩定的參考電流。
對于圖一所示的自偏置的電流鏡，會存在另一個穩定的狀態，那就是“零電流狀態”，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，這依然是一種穩定狀態，可以草率的理解為“簡并”態。
因此，我們需要一個“刺激電路”，旨在將電路拉離“零電流狀態”，我們稱之為啟動電路(start up ciucuit)，啟動電路在初始時將電路啟動，產生一個參考電流，主電路正常工作時啟動電路應該不影響主電路。如圖三所示為加了簡單的啟動電路的電流鏡。
初始時，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導通并傳輸M3柵極到M1柵極的電流，此時電路脫離零電流狀態，開始進入工作點；
工作時，Vbiasn將T2導通，因為T2的寬長比遠大于T3，所以在流過同樣電流的情況下，T2的漏極電壓將會很低，使得T1截止，所以啟動電路此時不影響主電路的工作狀態。
我們非常關注此電路對電源電壓的敏感性，通過分析我們知道參考電流對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。
對于長溝道的MOS管來說，輸出阻抗比較大，而對于短溝道的MOS管輸出阻抗比較低，所以在電源電壓變化使參考電流會出現不穩定的情況，為了減小敏感度，我們需要減小VDD變化時所引起的NMOS管漏源電壓的變化。
如圖四所示，加一個放大器用來鉗位M1、M2的漏極電壓，此時形成了一個串聯負反饋，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)。
具體的電路實施如圖5所示。
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