【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析

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前言

我们为什么采用电流源偏置而不是电压偏置?因为电流源偏置比电压偏置更可靠,鲁棒性更强,电压偏置容易受到干扰,也容易受到IRdrop(电压降)的影响,电流源对IRdrop不敏感,也不容易受到干扰,所以要用电流源。


一、Widar电流源的两种结构

如图所示,两种接法哪种才是正确的接法呢?
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(1)首先假设M1和M2工作在饱和区,也可以工作在亚阈值区。
(2)K为M2和M1尺寸之比。
(3)如果M1和M2工作在饱和区:

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我们现在对M1和M2进行分析,它们的栅极电压相等,有:
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如果忽略体效应的话,VTH1 = VTH2,则有
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更进一步推导出电流的表达式:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
从公式可以看出,理论上跟电源无关。
似乎两种电路都可以用,不过我们可以对它进行一个环路分析。首先是结构一的分析。
如图所示,我们将M3和M4断开(红叉),
(1)假设VG3上升;
(2)v1是下降的;
(3)导致M1和M2的栅极是下降的;
(4)进一步导致v2上升,最终是形成一个正反馈。
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
如图所示,我们将M3和M4断开(蓝叉)。
(1)假设VG4上升,
(2)v2是下降的,
(3)导致M1和M2的栅极是下降的,
(4)进一步导致v1上升,最终是形成一个正反馈。
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
从以上分析来看,似乎都是可以用的,但是正反馈会导致稳定性问题,因为环路增益>1,会导致振荡。环路增益<1,则环路稳定。下面我们分析两种结构的稳定性问题。


二、Widlar电流源的环路分析:结构1

如果M1和M2工作在饱和区:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
联立以上两个式子可以得出(M2与M1存在K倍关系):
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
我们对结构一进行断环分析,计算环路增益LG(正反馈):
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【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
我们将gm1和gm2的表达式带入可得:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
很容易证明,当K>1时,LG<1。正反馈环路增益<1,环路稳定。


三、Widlar电流源的环路分析:结构2

如果M1、M2工作在饱和区:
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联立以上两个式子,可得:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
断环,计算环路增益LG(正反馈):
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
我们将gm1和gm2的表达式带入可得:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析
很容易证明当K>1时,环路增益大于1,环路不稳定。


四、M1和M2工作于亚阈值区

如果M1和M2工作在亚阈值区:
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可以得到以下结论:
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所以两个结构的LG为:
【模拟IC】Widlar 电流源经典结构分析

总结

从分析可知,结构一环路增益小于1是稳定的,大于1是不稳定的,而为什么正反馈的增益大于1小于1会导致稳定性问题呢,可以查看以下链接:https://blog.csdn.net/heqianwan/article/details/127355619?spm=1001.2014.3001.5501文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-470404.html

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