基本要求与方法

3．2　基本要求与方法

3．2．1　理想恒流与恒压

偏置电路的关键和基础地位对模拟集成偏置提出了更高的要求，即稳定性与适用性，偏置的目的是提供电路理想的恒流源或理想的恒压源。CMOS电路系统中电压偏置的基本要求是提供电路（主要是MOS管）稳定的栅电压，对于电流偏置而言，即提供MOS管稳定的输出电流。提供的偏置应尽量减小对工艺和温度的敏感性，降低功耗和成本。

图3－1所示的理想偏置中，其特性是工作范围宽，精度高且稳定，具体表现就是不受工艺、电源电压和温度的影响，即通常所说的PVT无关性，这也是一般意义上模拟电路设计所追求的最高境界。

在CMOS电路中，电压和电流偏置既相互关联，也可相互转化。电路设计和应用也是利用这一基本原理，将稳定的电流转换成恒定的电压，或者将稳定的电压转换成恒定的电流。只要其中之一能够确定并稳定，相对应的另一个变量也能达到相应的稳定要求。在CMOS偏置电路设计中，就是寻找电流和电压相互之间的依存或因果关系，通过合理的反馈控制，获得稳定的电流、电压状态。需要特别指出，CMOS中NMOS的栅压V_GSN是以GND为参考，稳定电流偏置的条件是V_GSN为常数，表现为V_GSN的固定或恒定电压偏置；而PMOS的栅压V_GSP是以V_CC为参考，电流恒定的要求是V_GSP为常数，即V_GSP跟随V_CC的变化而同步变化。

图3－1　具有互补对称特性的理想电流和电压源特性

理想电压电流源的输出特性由其交流小信号输出阻抗决定。理想电流源要求其输出阻抗为无穷大，导纳为零，理想电压源输出阻抗为零，导纳无穷大。其次，在精度满足的前提下，要求适应的范围无限大。显然，实际电路中不可能存在具有这种理想特性的元件，如线性电阻，其阻抗受限。MOS管可实现近似理想的恒流和简单的恒压（电压钳位）特性，BJT的恒压和电压钳位能力虽有提高，但离理想偏置要求无论从精度还是适用范围上都有很大距离。因此，偏置电路设计的基本要求，就是利用已有元件的I－V特性，采用适当的元器件组合及相关控制技术构造高性能的偏置电路结构。

偏置电路设计中的三个核心问题，首先是静态工作点的确定，即静态支路电流的定义，这是一个涉及直流电阻分压的问题，静态电流至少应与V_CC无关；其次是支路电流的电源抑制比特性，这是一个交流阻抗分压的交流小信号问题，利用MOS管饱和恒流及共源共栅Cascode调节控制，降低电源噪声对偏置电流的影响；最后，是各支路电流的线性匹配精度控制，这本质上是直流工作点的匹配问题，由此形成各类高精度电流镜。以上三个方面既相互联系，又有不同侧重。显然，采用基本电阻分压结构无法满足以上各方面的要求，但各类高性能电压和电流偏置，都可以看成是从最基本的电阻分压原型结构发展得来。

3．2．2　交直流分析方法

电路分析是电路设计的重要基础。电路分析方法主要有两类，一类是等效电路法，即将电路元件用其交直流等效模型代替，并通过电路方程求解相应的信号变量输出。显然，这种基于等效电路的分析方法本质上是一种数学方法，适合单元结构及小规模模拟电路的设计，结果精确但不直观，对于复杂电路的分析应用受到一定的限制。另一类为物理近似法，该方法的特点与以上基于等效电路分析方法互补，直观但精度欠佳。在物理近似分析中，关键在于抓住电路最核心和本质的物理机制及相关制约条件，而将枝节和无关紧要的内容完全忽略，大体精确并快速得到具有特定物理意义的描述，因此容易获得对电路本质更加清楚的认识。

在实际的电路分析中，通常需要将以上两种方法有机结合。对于单元和典型电路结构，通常采用精确的等效电路法，而对于复杂电路，根据实际条件和相应的物理控制机制，可在忽略次要因素的前提下简化电路，并利用基本电路的已有分析结果，达到对复杂电路简化分析的目的。以下结合具体电路，对比两种分析方法的不同特点。

设某个MOS管的宽长比为（W/L）_i，考虑简单的N个MOS管的串并联问题。首先分析并联结构，若并联MOS管的沟道长度均为相同的L，则并联等效MOS管的W/L为

若各MOS管的沟长互不相同，则对其进行归一化处理，将各个MOS管的沟长等效为L，即（W_i/L_i）＝［（Wi/L_i）L］/L，此时等效宽度W_i′＝（W_i/L_i）L，沟长全部相同并为L，此时利用式（3－1）的结果，得到同样性质的关系式。对于并联结构，无论各MOS管的沟长是否相同，并联等效MOS管的W/L总是各MOS管（W/L）_i的线性叠加求和，因此MOS并联总是使W/L增加。

类似地，对于N个MOS管的串联结构，若各管沟道宽度W相同，则串联等效MOS管的L/W为

采用同样的分析方法，即使当W不同时，以上式（3－2）同样成立，即对于串联MOS管，其等效MOS管的L/W为各管（L/W）_i的线性叠加，即L/W增加或W/L减小。由于串联等效与并联等效相对应，则在保持叠加规律不变的条件下，并联的W/L对应为串联的L/W；与此等价，当串联MOS仍然采用W/L描述时，其等效值可由式（3－2）改写为

利用MOS串并联引起的W/L变化及其在电路内的连接关系，可以清晰地判断各MOS管的工作状态。以图3－2（a）所示的两串联MOS管恒流驱动结构为例，位于上方的M1二极管一定处于饱和恒流区，而M₂一定处于线性电阻区。

首先，采用基于数学模型推导的分析方法，从图3－2所示电路结构上看，M₁的连接方式决定了饱和恒流的状态无条件满足。根据数学模型关系，饱和M₁管与M₂管的过驱动电压满足以下制约关系

M₁管衬底偏置效应的影响使VTH1≥V_TH2，因V_DS2较小，M1管衬偏作用可以忽略，NMOS管的开启电压近似相同，并且M₁饱和导通一定有Δ₁＞0，则

对以上数学推导的物理理解为：当（W/L）₂≥（W/L）₁，M₂管如在饱和区，由于M₂管的V_GS2大且（W/L）₂大，显然饱和电流不能连续，而电流连续是基本限制条件，则只有M₂管进入线性区使M₂电流减小，满足电流连续的限制条件；当（W/L）₂＜（W/L）₁，由于固定电流在M₁管上形成的过驱动电压Δ₁恒定，（W/L）₂减小时V_GS1和V_DS1同步变化以保持Δ₁恒定，M₂管则同样处于线性电阻区。实际上M₁管的饱和导通给出的限制条件为V_S1＜V_GV_TN，由于V_S1＝V_DS2，V_G－V_TN＝V_GS1－V_TN，使M₂管一定处于V_DS2＜V_GS1－V_TN的线性电阻区。

图3－2　分裂的MOS二极管及其应用

以上问题还可从器件W/L等效的角度进行分析。根据串联等效原理，M₁、M₂串联等效MOS管的W/L总是小于（W/L）₁、（W/L）₂，在等效限制下两者均流过相同的电流，且M2与等效M管具有相同的栅压。由于M管一定处于饱和工作区，在以上电流和栅压均相同的条件下，（W/L）较大的M₂管一定强制进入线性电阻区，否则电流不满足基本的连续性限制条件。显然，（W/L）₂越大，M₂管的线性程度越高，当（W/L）₂趋近无穷时，V_DS2＝0，M₂管等效短路而不起作用，此时M管即为M₁管。

因此，对于MOS分裂的二极管，无论两管的W/L如何，也无论M1与M2中间串联结点的电位如何，只要MOS管导通，二极管M₁管一定位于饱和区，而与此对应的靠近GND的M₂管一定位于线性电阻区。应当注意的是，以上结论建立在支路电流连续和开启电压V_TH相同的限制条件下。

如图3－2（b）所示，如果M₂的漏端再并联一个二极管M₃管，M₃工作在何种状态？该结构又有何特点？显然，由于采用二极管连接，M₃管理论上只有截止及饱和两种状态。如果电源电压足够高，即使V_G1电位上升也不会引起恒流源进入线性区而导致偏置电流下降，则M₃的截止状态可以排除。相比图3－2（a）中M₃管为等效截止的状态，图3－2（b）中因M₃的分流作用，虽然M₂的电流减小，但M₂管仍保留线性电阻的工作状态。

图3－2（c）是M₃管位电路等价形式，M₂管在电路中的负反馈控制起到稳定M₃工作点的作用。当电源V_CC增加时，如无M₂管则V_GS1、V_GS3均相应增加，导致支路电流提高。当M2管反馈控制起作用后，由于V_G2＝V_G1的关系，M₂线性电阻R₁随V_CC的增加而减小，导致M1管电流增加，从而抑制了M₃管栅压V_GS3的增加。当以上两种作用相互平衡时，即支路增加的电流几乎流入M₂中，由此获得基本稳定的V_GS3偏置输出。