一文詳解偏置電流源電路的對(duì)與錯(cuò)

下面的電流源偏置電路究竟哪個(gè)結(jié)構(gòu)是對(duì)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(jiàn)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(jiǎn)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(jiàn)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(wèn)題。

問(wèn)題很簡(jiǎn)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。

很多同學(xué)會(huì)在其它地方見(jiàn)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(wú)外乎兩種說(shuō)法，第一種說(shuō)法：圖(a)中是正反饋，圖(b)中是負(fù)反饋；第二種說(shuō)法：兩個(gè)圖中電路都是正反饋，不過(guò)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(shuō)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

從電壓角度理解該電路的反饋特性

以上從電流角度的理解沒(méi)有詳細(xì)的推導(dǎo)，如果還不能說(shuō)服你，那么可以閱讀以下具體的環(huán)路增益推導(dǎo)過(guò)程，假設(shè)按照?qǐng)D中標(biāo)注斷開(kāi)環(huán)路，并加入小信號(hào)干擾，計(jì)算環(huán)路增益。

通過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的電路仿真對(duì)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。