gm/Id的模擬電路設計方法——設計一個電流偏置

2020-12-05 騰訊網

來源：IC技能搬運工

gm/Id的模擬電路設計方法需要的基礎內容以及曲線繪製已經跟大家介紹過了，今天講一個基於此方法的設計實例。

電流源電路原理

下面的電流源電路是拉扎維書上的一個例子，該電路實現的原理是：假設所有條件都理想，那麼相同電流流過不同尺寸的MOS管時，兩個MOS管的柵源電壓不同，利用這個電壓差可以產生需要的電流。

器件尺寸都在圖中標註，由於圖(a)中NMOS會產生襯偏效應，所以此電路使用圖(b)中結構更容易獲得準確。

以圖(b)為例，PMOS的電流由下面NMOS電流鏡確定，由於MOS尺寸相同，所以流過左右兩側PMOS的電流也相同。

在此基礎上，左邊PMOS尺寸小，

大，右邊PMOS尺寸大，

小，兩個PMOS的

差值加在電阻

上，產生電流，通過調整兩個PMOS尺寸或者電阻

的值，即可改變兩支路中的電流值。

通過上面四個等式可以求解支路電流與PMOS尺寸以及電阻

之間的關係，在此基礎上進行仿真即可，最終得到如下關係式：

由上面的表達式可以很容易確定電路圖中器件的尺寸以及參數選取，後面會有詳細仿真結果。

採用gm/Id計算電流

下面從gm/Id的角度計算電流，在採用gm/Id方法計算時，把器件的gm/Id看成一個設計變量，並用此變量表達電流值。

在前面公式的基礎上，把gm/Id當成一個整體，通過適當變換可以得到一系列等式：

通過上面四個等式可以求解支路電流與PMOS的gm/Id值以及電阻

之間的關係，在此基礎上進行仿真即可，最終得到如下關係式：

通過選取不同的gm/Id和

值可以調整兩條支路中的電流值，並且採用這種方法在設計電流源的時候可以考慮與後面被偏置電路的gm/Id值做好匹配，以防為後續電路設計帶來不便。

電路仿真對比

兩種設計思路的分析已經做完了，下面通過具體電路仿真比較一下兩種電路設計流程中的差異。

過驅動電壓方法：設計電流值為10uA的電流源偏置電路，圖(a)中取NMOS、PMOS的過驅動電壓為0.3mV，所有管子L=2um，K=4，保證所有管子工作在飽和區，結合仿真最後得到如下結果，其中器件尺寸在原理圖中做了標註。

gm/Id方法：設計電流值為10uA的電流源偏置電路，圖(b)中所有管子L=2um，取NMOS以及左邊PMOS的gm/Id=6.

在gm/Id曲線上選擇Id/(W/L)曲線，確定橫坐標為6，然後利用縱坐標的值結合MOS管的L=2u，計算出MOS管的W值。

根據表達式可知，右邊PMOS的gm/Id需要取得更大一些，這裡取右邊PMOS的gm/Id=12，按照上面的方法同樣可以求出MOS管的W值。

結合gm/Id曲線和計算公式最後得到如下結果，其中器件尺寸在原理圖中做了標註。

可見兩種設計方法得到的器件尺寸有一定的差異，通過對比仿真可以看到，雖然兩種方法都可以得到正確的設計，但是採用gm/Id方法設計的電路，器件的gm/Id值更具有統一性。

如果被偏置電路在設計時考慮gm/Id值與該電流源保持一致，那麼電路中器件的工作狀態具有更好的一致性。

以上是兩個電路中支路電流隨電源電壓變化的仿真曲線，從仿真結果來看電路特性的差異並不大。

另一方面，採用gm/Id的設計方法可以根據gm/Id曲線迅速得出器件尺寸，本次電路設計中採用gm/Id方法設計只進行了一次修正，而採用過驅動電壓的方法結合手算結果進行了三次修正才得到預期值。

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