一文看懂電流鏡

2021-01-10 芯啟示

 

自古以來,蛋和雞的問題就困擾著人們。是先有的蛋呢,還是先有的雞呢?有了蛋,蛋便可以孵化雞,有了雞,雞便可以生出蛋。理論上,只要二者有其一,便可以得到無數的後代。

 

往深了說,蛋和雞隻是代名詞,化二為一,實質是零到一的問題。零和一有質的區別,從零到一是具有突破性的,也是最具難度的。而由一生化出無數,則是單純的重複的問題。

 

比如,許多創業者會說,我要是現在有一千萬啟動資金,或者公司客戶達到多少多少就好了,我也能做的非常棒。只可惜我現在資金周轉不動了,客戶數也沒上來,只能放棄,重新投入職場了。

 

有的研究人員會說,咱實驗室要是有那些頂尖實驗室的設備就好了,這樣好多之前做不了的實驗也能做,那麼諸多高難度的方向,我們也可以嘗試。

 

再者中芯國際可能會說,我要能夠獲得ASML的七納米光刻機就好了,那樣我們也可以很快將工藝節點提升至七納米,追趕上世界先進水平。

 

可以看出,這些問題本質上都是卡脖子的零到一的問題。

 

創業者有了一千萬的資金,則可以在初期大肆拓展業務,收穫客戶。或者有了足夠多的客戶,則可以在此基礎上產生利潤或聯繫到更多的客戶。

 

研究人員有了一流的設備,就像砍柴人擁有了斧頭車輛等獲取木頭的一切必須的工具,工具具備了,取得成果可能只是時間的問題。

 

中芯國際在近幾年發展迅速,但美國從中作梗,從荷蘭購買先進光刻機的買賣一直進行不下去,從而限制了先進工藝節點的發展速度。

 

解決零到一的問題,這是質的改變。

電路中也是同樣的道理。帶隙基準電路解決了零到一的問題,有了它,既可以產生恆定的電流源,又可以產生恆定的電壓源。

 

解決一生多的複製和應用的問題,這是數量的差異。

帶隙基準電路產生了一個恆定的電壓,但這個電壓源問題很多。

比如驅動能力的問題,驅動能力太小,導致加在負載上就發生了畸變。比如傳輸線阻抗的問題,在長距離傳輸過程中,電壓會有衰減。比如數量的問題,可能一個手機晶片的通信部分需要幾十個基準,那麼總不能設計幾十個基準電路吧。

 

那麼如何解決這些問題呢?

 

驅動能力小的問題,可以在輸出端連接模擬緩衝器,提升驅動能力。

 

阻抗帶來的電壓衰減的問題,可以使用電流基準,電流源不隨負載阻抗的變化而變化。這在實際中應用也非常的廣泛。

怎麼解決數量的問題呢?

 

電流鏡!

 

也就是本文的核心。

 

電流或電壓基準,就類似於蛋雞問題的那個一,得到一之後,由它生發出來的無數後代。雖它們大小可能有變化,但基本特性跟初始者一樣。這點跟吸血鬼咬人後,新的吸血鬼跟初始者有千絲萬縷的聯繫有點像。

 

那麼,由一生多需要的工具,就是電流鏡。

 

基本原理是,通過電晶體,電流基準信號轉化為電壓信號,這個電壓信號再去控制另一個相同的電晶體,通過這種方式,這個電流基準信號就被複製到另一個電晶體中。

 

中間的電壓信號只是橋梁的作用,本質就是反函數的兩次應用。得到另一個電晶體中的電流就是原基準電流的鏡像。

 

這就是最簡單的電流鏡。

 

電晶體中電流大小是尺寸的函數,通過改變電晶體的比例,就可以改變鏡像電流的大小,從而完成倍數的複製功能。

 

不過單純的電流鏡雖然有處理信號的能力,但在放大或縮小小信號的同時,也會同等程度的對大信號進行處理,這點需要額外注意。

 

由於電晶體存在溝道長度調製效應,上述簡單的電流鏡,鏡像之後並不是嚴格地按電晶體尺寸的比例複製。

 

為了解決這個問題,就把電晶體疊加一層,構造共源共柵電流鏡,可以顯著提高複製的精度,缺點則是降低了輸出電壓的範圍。然後呢,為了解決輸出電壓範圍的問題,又出現了低壓共源共柵電流鏡。低壓共源共柵電流鏡又存在偏置電壓的新問題,又出現了各種產生偏置電壓的結構。

 

以上解決問題的過程,也就是搞研究的過程。發現一個問題,想辦法解決。解決的過程中,會出現新問題。再針對新問題尋求方法。新方法可能還會存在問題。再找到針對這個問題的方法……,直至達到滿意的結果。

 

電流鏡也可以處理信號,像有源器件一樣工作,這就是有源電流鏡。最經典的就是五管單元組成的單端輸出電路。把它的輸出與負輸入端相連,就可以作為一個模擬緩衝器使用。它的一個很大的缺點,就是輸出擺幅比較小。

 

五管單元的有源電流鏡與差分結構的有源電流鏡小信號增益相等,共模抑制比相比於差分結構要差一些。但優勢是內部就完成了差分輸出轉單端輸出的過程,因而也是各有優劣。

 

學習了以上幾點,基本上就了解了電流鏡。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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