第一章笔记

《模拟CMOS集成电路设计》第5章深入探讨了电流镜与偏置技术的基础知识及其重要性。本章详细分析了包括基本电流镜、共源共栅电流镜和有源电流镜在内的各种电流镜的工作原理、特性及其应用领域，并重点介绍了放大器中的偏置技术相关知识。这些内容不仅对于实现精确模拟电路的设计具有重要意义，在实际应用中也能够帮助工程师深入理解并解决当前电路设计中的关键问题，并为各类放大器提供科学合理的偏置条件以提高电路性能和稳定性

基本电流镜

当前阶段的电路设计对模拟电路中的基极回路稳定性要求较高

对于常见的单电源5V稳压电路来说

对于有无源校正需求的应用场景

其中较为关键的是如何选择合适的电压基准

具体而言

2. 电流镜的工作原理与特性 * 基于饱和区运行且栅源电压相同的双晶体管结构构成基本电流镜电路，在此配置下能够高度精确地复制输入电流信号并保持稳定的输出特性。该电路的主要特点在于其输出特性基本不受工艺参数及温度变化的影响；其复制精度主要取决于器件的尺寸比例；当采用较长的复制链时会导致累计误差积累。这种电路架构广泛应用于差动放大器等关键电子线路中，在具体设计时通常选用相同栅长的晶体管材料构建基极回路，并通过调节晶体管宽度来实现所需的比例缩放关系；此外，在处理实际信号时该电路不仅可以放大小信号的电流强度还能有效隔离直流分量以实现理想的微分放大效果；然而，在这种工作模式下必然会产生额外的基极偏置电流。

共源共栅电流镜

沟道长度调制的影响及解决方案 * 沟道长度调制会导致基本电流镜的镜像电流出现偏差，在采用极小晶体管的情况下尤为明显。解决方案是通过施加V_{DS2}=V_{DS1}或者V_{DS1}=V_{DS2}来抑制这种影响。

2. 基于共享栅极的两种电路架构 * 第一种架构 ：利用共享栅极的特性实现电流源的屏蔽作用，在此情况下可确保(V_{DS2}=V_{DS1})成立；通过将两个二极管连接型器件串联生成(V_{b})电源电位；这种方法能够精确复制电流信号；然而其缺点在于会造成较大的电压损耗（即余度），其中P点的最小允许工作电压为两个过驱动电压加上一个阈值电压之和。
   • 第二种架构 ：通过在(M_{1})栅极与漏极之间引入电阻分压电路来产生所需的微小电压差值；在此情况下可确保(V_{DS1}=V_{DS2})成立；这种方法能够有效避免余量电压的浪费；然而其存在的问题是电阻值与(V_{TH})的变化难以实现精确匹配；此外还可能导致基极电位(V_{b})出现非直观的变化。
     采用改进后的低压共源/共栅电路架构时可直接将输出节点接地以简化电路结构；同时可以选择合适的基极电位(V_{b})使得相关晶体管工作于饱和区状态；这样不仅能够有效提高电路效率；还可以通过特定方式精确生成基极电位信号；这种改进方案具有更广的应用前景。

有源电流镜

以实现单端输出为目标，在差动对中放弃其中一个输出端点，并采用无源电流镜作为负载配置。其小信号增益(A_{v}=\frac{V_{out}}{V_{in}})可通过两种不同的方法进行计算，在(r_{OM}\to\infty)的情况下，其增益值趋近于(-g_{m1}r_{O2})的结果。

2. 有源负载差动对（五管OTA）特性 * 大信号分析 ：由MOSFET代替理想尾电流源，输入电压变化时，电路工作状态改变，输出电压与输入电压关系复杂，输入共模电压选择重要，影响输出摆幅，电路对称时输出电压有特定值，但实际中不对称可能导致偏差，常用于将差动输入转换为大摆幅单端输出。
   • 小信号分析 ：电路不对称不能直接用半边等效电路概念计算差动增益，近似分析可得跨导(G_{m}=g_{m1,2})，输出电阻近似为(r_{O2}\parallel r_{O4})，电压增益近似为(g_{m1,2}(r_{O2}\parallel r_{O4}))，精确分析得出更复杂的增益表达式(A_{v}=g_{m1}(r_{O1}\parallel r_{O4})\frac{2g_{m4}r_{O4}+1}{2(g_{m4}r_{O4}+1)})，且理想尾电流源时输出与输入共模变化无关。
   • 共模特性 ：共模增益(A_{CM}=\frac{\Delta V_{out}}{\Delta V_{in.CM}})，对称时输出信号会因输入共模变化变差，高频时共模噪声影响更大，计算失配时共模增益表明跨导失配会影响共模增益。与全差分拓扑结构相比，五管OTA存在CMRR有限和电源抑制性能较差的缺点。
   • 其他特性 ：五管OTA不适宜低电压工作，可通过在二极管连接型PMOS器件栅极与漏极间串联电阻并抽取恒定电流改善电压余度，但会引入输入参考失调电压。

偏置技术

互补共源结构由于其自身的特点容易受到PVT参数的变化影响导致晶体管之间相互干扰从而影响整体性能：一种常见的解决方案是通过在栅漏之间引入大电阻来增强漏极节点的高频截止能力；另一种较为复杂的方案则是引入电流源和电容进行动态补偿：具体来说可以向栅漏节点注入特定电流(I_{1})并在适当位置引入电容(C_{1})来调节工作状态；然而这种补偿方式会消耗额外电源电压从而降低系统的效率；此外还需要对输入信号进行去耦处理并通过调整相关电容值来保证放大器的整体增益不受影响。”

2. 共栅级的偏置 * 共栅极晶体管在源端检测输入时需要施加偏置电流，并需在源端与地之间引入元件（如电阻、电流源或电感）。采用电阻进行偏置会在低电压设计中导致信号衰减的问题；可改用电流源来替代电阻以解决此问题；但因沟道长度调制的影响会带来误差；此时可采用共源共栅架构来解决此问题，并合理设置偏置电压V_b。

3. 源跟随器的偏置 * 源跟随器通常会采用电流源型偏置方式，在M_B漏极处串联电阻以减少由沟道长度调制引起的失配现象。这种设计使得其偏置电流对于栅极电压的变化并不敏感，在这种情况下栅极可以直接连接到前级电路中去。当输入直流量值变化较大时可引入电容耦合电路来处理，并将其用作共源级输出缓冲器的效果会有所不同。

在配置差动对栅极电位时，请注意以下几点：除了尾部电源之外，请先设定该电路的栅极电位，并建议选取最小的输入共模电压水平。为了获得最佳效果，在大多数情况下可以直接将栅极直接与前级相连；然而，在某些特殊应用中则应考虑使用电容式耦合方式以避免影响整体增益。