CMOS运放设计-关于电流镜分析-KIA MOS管

工作点

小信号是大信号工作在固定偏置点下电路体现，那么为了得到我们需要的小信号性能，例如运放的增益，BW，GBW，PM，那么一个重要的前提就是电路要工作在小信号需要的偏置点上。

偏置点可以选择的自由度是很多的，例如对一个MOS管，Vgs，Vds，Vbs等等都是可以设置的，但是对于模拟CMOS电路，大部分电路偏执点有一个前提：

MOS管工作在饱和区

注：现在很多电路的MOS管也工作在亚阈值区，但这种情况和饱和区比较相似，因此本文暂时忽略工作在亚阈值的情况。

运放与电流镜的关系

如何让运放的MOS管工作在饱和区

单级共源放大器

让我们以上图为例，研究如何让这个共源放大器的MOS管都工作在饱和区。 这是一个电流源负载的共源放大器，其中M2作为电流源使用，其电流是通过Vb提供的。在这个放大器中，需要的偏置电压包括：

Vb偏置M2

Vin虽然是输入电压，但是其电压值在一个固定电压值附近波动，这个固定电压值就是M1的偏置电压

对于如何让他们工作在饱和区，我们通过大信号的思路去分析：

Vb偏置M2，产生一个电流I2；

Vin偏置M1，产生一个电流I1；

直观地，或者说根据KCL，I1=I2；

假设M1和M2均工作在饱和区，根据Vb和Vin的值以及平方律模型，它们产生电流I1，I2；

如果I1刚好等于I2，那么他们工作在饱和区的假设成立；

如果I1>I2，由于它们的电流需要相等，因此Vout会适当减小，通过降低M1的Vds1，增大M2的|Vds2|，调节他们的电流相等；

如果这个调节过程中，vds1仍然满足Vds1>Vod1,那么M1仍然工作在饱和区；如果不满足，那么M1就工作在线性区；

I1<I2的情况也可根据上述进行分析；

在上述过程中，造成M1或M2被挤压到线性区的本质是，M1和M2假设他们工作在饱和区产生的电流I1和I2不相等，且相差较大。因此，为了避免该情况的发生，就需要合理地设置Vb和Vin。

差分输入，差分输出放大器

针对上图的差分输入，差分输出，我们可以做类似的分析。首先，在工作点时，差分输入为0，两个输入被偏置在输入共模电压上，这个时候差分运放的左右工作在对称，也就是相同的状态，以左边为例：

上半部分的电流是由Vb3偏置M7确定的，工作电流为I1；

下半部分的电流因为输入差分电压为0，左右各分ISS/2的电流；

假设I1和ISS/2是所有晶体管工作在饱和区的电流值，如果I1>ISS/2,那么X点电压Vx会升高，通过调小M5和M7的|Vds|来减小I1，同时M1，M3，M9的Vds会增大，从而增大ISS/2，以此来让I1和ISS/2相等；

如果Vx升高太多，那么就会把M5或者M7挤入线性区；

I1<ISS/2的情况也可以作此分析

因此，为了让所有晶体管工作在饱和区，那么就要让Vb3和Vb4合理地选择以满足ISS/2=I1。

如何用电流镜偏置运放

从上文可知，让运放工作在饱和区地关键是运放地上半部分（PMOS部分）和下半部分（NMOS部分）按照饱和区的工作状态产生的电流相等。那最好的方式就是让他们从一个电流源拷贝过来，如下图所示。

电流镜偏置运放

在上图中，如果IREF1和IREF2是一个电流源而来，通过Mb2和M7，Mb1和M9合适的比例设置，就可以满足上文的要求。 为了更好地匹配，实际电路中，Mb2和M7，Mb1和M9通常采用相同的W/L，通过改变并联个数来实现，这样可以保证在不同PVT下拷贝都很精准。

共模反馈的作用

然而，即使我们再精心地在前仿真时候设计，实际到后仿真，tape-out，因为器件失配，上文描述的电流相等也几乎不可能出现，而且这样去匹配本身就违背了鲁棒性的原则。这就体现了共模反馈电流的重要性。

共模反馈电路

如上图所示，通过共模反馈电路环路去调节“上”，“下”电流中的一个，让两者相等，这样可以更鲁棒地实现上文的电流相等要求，让运放的所有晶体管工作的饱和区。 即使有共模反馈电路的“加持”，但上节提到的匹配设计还是很有必要，它可以减轻共模反馈电路的负担，也是一种更为模块，规整的设计思路。

总结

通过本文，我们可以看出，其实运放的晶体管就是电流镜的拷贝晶体管，而偏置电路就是一个电流镜的源头。

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