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电流源与偏置电路(二)简单偏置电路

得到了电流源,下一步就是给电路设计一个合适的偏置电路。例如下面你设计了一个经典的折叠cascode的OTA,目前尾管和上下的共栅管都需要偏置,怎么做呢?
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我们给管子做偏置,其实是在给它定电流和工作状态,而不是定电压。例如上面的M3管,我们之所以偏置它的原因在于我们不希望在PVT变化时,它的工作状态发生太大变化,希望它能一直起到共栅管该有的作用,这是我们在这里不惜浪费电压裕度做这层管子的意义,所以我们给到的VB2电压一定要能与M3跟上一起变化,例如M3的阈值变小了我们自然希望VB2也能跟着一起变化,希望M3的VOD能尽可能变化得小一些。那么就好办了,这不就是一直说的CM嘛,这就好办了。

尾电流管M0和M9、M10当然可以直接用之前做好的电流源sink或者source给它做最简单的CM,当然这样有时候也并不合适,系统失调很大的话CLM收不住了,我个人觉得最好的办法就是把VB2和VB1放在一起偏置比较好。那也好办,缺啥补啥,记住用CM偏而不是硬调电压偏这个总体原则就行。例如,尾管就用最普通的CM偏就行,最多串联一下二极管让VDS的系统失调小点,共栅管也类似,这样就几乎是一个支路生成一个偏置。

网上随便找了几个例子:

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这个例子,电流source出来后,镜像给第二支路和第三支路,在第二支路上生成PMOS共栅管偏置VB2,在第三支路上借助已完成的PMOS共栅管偏置生成PMOS的共源管偏置VB1;然后用得到的支路二、支路三的电流source镜像给第四、第五支路,同样的道理,第五支路先生成NMOS共栅管偏置,再在第四支路上生成共源管偏置。如果又一个电流sink的话,那就是完全的一个支路生成一个偏置了。

\(Vod = \sqrt{\frac{2I}{\mu Cox(W/L)}}\),根据计算得到Vod后,管子的电流和宽长比的比例是定值,这个是我们最基本的认识,所以偏置类似于CM的设计,跑多大电流给多大管子就行了。

这里根据个人经验,有个点是,先有共栅偏置生成再有共源管偏置生成,某次在设计的时候为了尽可能减小功耗少用了一路还是两路,静态下偏置依然是ok的,PVT也能跑过,但是给电源上电发现过冲很大,经过一圈Debug后来还是改回来了,上电问题就解决了。

这里有可以改进的地方是,共栅管的偏置那里,图里只用了两个管子串联,那么根据之前笔记对于cascode CM的讨论,这里串联的管子宽长比可能要设计得比较怪异,layout上要想能同意起来可能有点麻烦,所以个人感觉这里就用5个或者6个一样的管子串吧。

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这个例子,非常明显的先拿到共栅管偏置再拿到共源管偏置,开门见山两条支路拿下VB1和VB2偏置,而且很明显地画了6个管子。下面VB4用了同样的方法偏置了,这几乎与上面的例子一样。但是多一路20μA在最右边,生成了VB3的偏置。这样做的原因在于,套筒式cascode结构,在输入对管上面有一对管子,如果VB3的电压恒定,那么如果输入共模高一点,我们说栅最多比漏高一个Vth,或者这个Vth小了一点呢,输入对管容易进入线性区。为了避免这样所以你的VB3设计得比较高,那输出摆幅又会减小。因此我们希望有个东西能感受到输入共模电平的变化,并且反馈给VB3,二者一起变化,VP点就是一个很好的点。用串联起来的二极管NMOS感受VP电压变化也就是输入共模电压变化,反馈给了VB3,这是一个好用的方案对于套筒偏置,一般叫它浮动偏置或者自举偏置(书上讲这里偏置电路一般取尾电流的1/5左右,不是这个例子给的约1/20)。很明显的是,依旧6个NMOS的串联去代替VGS+VOD电压。给到实例,最右边偏置电路串联NMOS最上面那个跟M3和M4匹配起来,跑多大电流给多大管子,下面的串5个或者6个都行。这里M9管子没有做成420μA有点小意外,毕竟这样400μA的尾管会让原有设计的两个200μA减小,我觉得最好还是直接设计成420μA。

会偏置这两种OTA之后,别的简单电路也大差不差吧,目前够用而已,遇到了再来回顾。

http://www.jsqmd.com/news/279501/

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