偏置電流源電路的對與錯
發布時間：2021-01-25 責任編輯：lina
【導讀】下麵的電流源偏置電路究竟哪個結構是對的？幾乎每個模擬IC課程都會講這個例子，可是始終有人搞不清楚。
下麵的電流源偏置電路究竟哪個結構是對的？幾乎每個模擬IC課程都會講這個例子，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的集成電路設計方法時，有一個實例就是設計一個簡單的電流源偏置，關於電流源偏置的原理也在其中仔細推導。
上圖中的兩個電路結構是應聘模擬集成電路設計崗位時最常見的電路結構之一，經常有麵試官拿這個結構出一些問題。
問題很簡單：假設所有MOS管都工作在飽和區，NMOS尺寸比例如圖中標注所示（K>1），那麼上圖中哪個電路工作的更好，給出合理的理由？
有兩個關於該電路的推導，分別是輸出電流表達式與兩個NMOS跨導的比值，這兩個結論會在後麵用到。
利用電流表達式，推導出 
與 
的跨導比值為：
與 的跨導比值為：
對於初學者來說乍一看覺得兩個電路貌似一樣，都是NMOS的
電壓差值通過電阻R產生電流，那麼哪個才是正確的呢？
電壓差值通過電阻R產生電流，那麼哪個才是正確的呢？很多同學會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)中是負反饋；第二種說法：兩個圖中電路都是正反饋，不過圖(a)中反饋係數大於1，圖(b)中反饋係數小於1。
以上兩種說法到底哪種是正確？回答這個是需要具體計算和推導的。
從電流角度理解該電路的反饋特性
從電流角度理解上麵偏置電路的時候首先要有一個認識：對於偏置電路中尺寸比為K:1的和，接成源極負反饋的形式時，兩個NMOS的
比值為：
和，接成源極負反饋的形式時，兩個NMOS的比值為：
上圖中從紅色標記處斷開環路，假設紅色標記處有一個電流擾動
，那麼流過
和
的電流為 ，按照逆時針方向分析：
，那麼流過和的電流為 ，按照逆時針方向分析：通過PMOS電流鏡，流過
和的電流為;
和的電流為;通過
和的鏡像關係之後，流過的電流現在為
;
和的鏡像關係之後，流過的電流現在為;經過上麵兩個過程，可見電流通過環路之後被放大了
倍，該電路是一個正反饋，如果
，那麼該電路反饋係數大於1（顯然成立）。
倍，該電路是一個正反饋，如果，那麼該電路反饋係數大於1（顯然成立）。
上圖中從紅色標記處斷開環路，假設紅色標記處有一個電流擾動，那麼流過
和
的電流為，按照順時針方向分析：
，那麼流過和的電流為，按照順時針方向分析：通過PMOS電流鏡，流過和
的電流為;
和的電流為;通過
和的鏡像關係之後，流過的電流現在為
;
和的鏡像關係之後，流過的電流現在為 ;經過上麵兩個過程，可見電流通過環路之後被縮小了
倍，該電路是一個正反饋，如果
，那麼該電路反饋係數小於1（顯然成立）。
倍，該電路是一個正反饋，如果，那麼該電路反饋係數小於1（顯然成立）。通過上麵的兩個簡單分析，可以得到結論：上麵兩個圖中電路都是正反饋，不過圖(a)中反饋係數大於1，圖(b)中反饋係數小於1。
從電壓角度理解該電路的反饋特性
yishangcongdianliujiaodudelijiemeiyouxiangxidetuidao，ruguohaibunengshuofuni，namekeyiyueduyixiajutidehuanluzengyituidaoguocheng，jiasheanzhaotuzhongbiaozhuduankaihuanlu，bingjiaruxiaoxinhaoganrao，jisuanhuanluzengyi。
假設在
的柵極斷開環路，並加入小信號電壓激勵，那麼環路增益可以由以下兩部分構成：
的柵極斷開環路，並加入小信號電壓激勵，那麼環路增益可以由以下兩部分構成：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：
所以上麵電路的環路增益為：
可見該電路是一個正反饋，如果，那麼該電路反饋係數大於1（顯然成立），所以該電路無法穩定工作。
，那麼該電路反饋係數大於1（顯然成立），所以該電路無法穩定工作。
假設在的柵極斷開環路，並加入小信號電壓激勵，那麼環路增益可以由以下兩部分構成：
的柵極斷開環路，並加入小信號電壓激勵，那麼環路增益可以由以下兩部分構成：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：
所以上麵電路的環路增益為：
可見該電路是一個正反饋，如果，那麼該電路反饋係數小於1（顯然成立），所以該電路可以穩定工作。
，那麼該電路反饋係數小於1（顯然成立），所以該電路可以穩定工作。通過上麵的環路增益求解，可以得到結論：上麵兩個圖中電路都是正反饋，不過圖(a)中反饋係數大於1，圖(b)中反饋係數小於1，所以圖(a)電路無法穩定工作，圖(b)中電路可以穩定工作。
電路仿真驗證
下麵通過兩個簡單的電路仿真對比，驗證計算結果的正確性，為了利用之前的電路，這裏采用PMOS結構電流源偏置電路。
分別采用stb仿真得到上麵兩個電路的幅頻特性曲線，分析環路的增益與反饋類型，結合仿真結果判斷理論計算與仿真結果是否一致。
首先觀察正確電路的仿真結果，從環路相頻曲線可以看到，該電路是個正反饋電路，從增益曲線可以看到該電路環路增益小於1。
另一個電路的仿真結果如上所示，從環路相頻曲線可以看到，該電路是個正反饋電路，從增益曲線可以看到該電路環路增益大於1。
按照上麵推導結果，結合原理圖中器件的尺寸比值，發現理論計算與仿真結果十分吻合，以上是關於電流源偏置電路的討論和結論。
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