恒定跨导基准

片上偏置与电流基准是模拟芯片的“心脏”。从简单电流镜到恒定跨导(Constant-gm)基准,工程师需要在输出阻抗、电源抑制比、启动可靠性与环路稳定性之间做精细取舍。看似巧妙的自偏置改动,也可能引入正反馈问题。

反馈环路与偏置抽头

改进型 Wilson 电流镜通过内部负反馈提高输出电阻,同时平衡底部对管的漏源电压。复制电流时,从哪个节点引出偏置电压,是一个不能忽略的问题。

在所讨论的结构中,底部共栅节点处于负反馈环路的受控端,扰动被环路增益衰减;顶部输入节点则必须产生电压摆动,作为纠正底部扰动的“代价”。因此,不能因为两个节点都属于同一偏置电路,就认为它们具有相同的抗干扰能力。

复制电流应使用受到反馈稳定的底部共栅节点;若需更高输出阻抗,可在复制支路另加独立偏置的 Cascode 管。

自偏置与多重反馈

为了省去偏置电阻并降低电源敏感度,可以用顶部 PMOS 电流镜强制两支路电流相等,构成自偏置反馈电流基准。然而,这一改动可能在原有负反馈环路之外引入第二条正反馈环路。

节点电压上升,使支路电流增大;镜像电流又拉高另一节点,再经源极跟随作用使原节点继续上升。这样的信号路径会侵蚀负反馈带来的阻抗降低与去敏优势。

当电路中同时存在正、负反馈环路时,即便总环路保持稳定,也不能据此认定各节点都具有良好的抗干扰能力。需要分别检查扰动传递、正常工作点与启动过程。

恒定跨导与工程实现

常见恒定跨导基准采用不同尺寸的底管,并在其中一条支路的源极串接电阻。两管的栅源电压差落在电阻上,建立自洽的偏置电流。

在简化模型中,偏置电流随器件参数变化,而跨导中的相应变化可以抵消,使跨导主要由电阻决定:

gm∝1Rg_m\propto\frac{1}{R}

强反型分析采用平方律;弱反型下则利用指数关系建立正比于绝对温度的 PTAT 电流。具体系数取决于尺寸比、工作区与衬底连接方式,不能混用不同前提下的公式。实际仍受体效应、失配和电阻温漂影响。

源极电阻的局部负反馈退化作用,有助于限制正反馈环路增益。但低频环路增益小于 1,不能单凭这一点证明全频稳定;仍需检查含寄生极点的环路频响,并设计启动电路使电路离开零电流工作点。

引入运放构成增益增强架构后,落地时还须把控三个细节:

  • 输入端极性:沿支路追踪扰动方向,确保负反馈主导,不能仅凭节点名称判断正负端。
  • 频率补偿:多个高阻节点会引入极点,需要配置补偿电容,并检查全工艺角下的相位裕度。
  • 电阻修调:恒定跨导并不消除片上电阻的绝对值偏差,可通过数字修调改善跨导与时间常数的精度。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注