关于三支路电流源的分析

131v1vv

各位坛友，小弟最近无聊，开通了个人的公众号，也算是对自己的学习过程的记录吧，文章会在eetop和微信个人公众号发布，请多多支持。

作为小牛牛公众号的第一篇干货，今天和大家分享一下自己关于三支路电流源的学习，请大家多多支持。

“三支路基准电流源”的提法见于何乐年所著的《模拟集成电路设计与仿真》p267中，国外大牛Ivanov所著的《 Operational amplifier speed and accuracy improvement》p42称之为"Mos gm-matching biasing"。后续

    其基本结构如下图

    其中M7输出电流为Iout，M4~M7为current mirror，M1、M2和R构成的用语确定电流Iout的值，M3为暂时理解为单管CS放大器。以下使用MOS长沟道模型进行计算，借此巩固下基础知识，温故而知新~

    稳态时，忽略CLM和BE等二级效应，有M5和M6电流相等，M1和M2漏电也电流相等；可以得到输出电流如下图

                               
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    输出电流Iout包含4个影响因素，是个和电源无关的电流产生电路。其中宽长比、电阻R和比例K对Iout的影响趋势如下图所示，可以看到电阻变化影响最大，宽长比影响其次，比例K影响较弱。

    好了，这次的学习先到这里，下次分析其环路和稳定性，敬请关注。

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本期分析三支路电流源的环路稳定性，俗话说，麻雀虽小五脏俱全，尽管该电路所用器件个数不多，主体仅包含6个MOS管和1个电阻，却是一个多反馈环路系统，如下图所示。

图1

        正反馈环路为小环路，仅包含M1和M3~M5，M3为单管共源级放大器, 二极管连接的M4作为M3的有源负载，Vy相对于Vx有180°DC相移；M5和M1构成第二个CS放大级，M1作为M5的有源负载，Vx相对于Vy有180°的DC相移。因此该小环路（Vx => Vy => Vx）为正反馈。

负反馈环路为大环路，包含了电阻R和M1~M7，增加了M6、M2和R的反相放大级。即Vz相对于Vy有180°的DC相移；M1和M5构成的CS放大级，完成了第三个180°相移。大环路（Vx => Vy => Vz =>Vx）为负反馈。

为了保证系统稳定，需要分析整体环路的频率特性。其小信号等效电路如下图。

                               
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图2

小信号低频条件下，其各节点的通路增益和环路增益推到如下：

图3

        可以看到，低频下，环路整体表现出的稳定性取决于最后浅蓝色部分是否大于0，即M1和M2管尺寸和电阻R值。如果设置不合理，可能会表现出正反馈，无法得到所需的电流。

        即便是低频下为正反馈，随着频率增加，该系统能够稳定呢，那就接着分析。

注意节点Vx、Vy和Vz的器件对地电容和Cgd电容，会引入多个极点和多个零点。高频下，还是极有可能出现正反馈的，电容分布如下图所示，是不是头都炸了。其实，负反馈理论中，只要将主极点的频率设置的足够低，就可以将非主极点移到GBW之外啦，

图4   

图3中推导可以看到，Vx点表现的阻抗相对较大，为ro/2量级，那如果在Vx点增加额外的电容Cload，有理由相信，这一点就是主极点啦。

电容值得选取，首先要保证PVT下，系统有足够的相位裕度，同时还要兼顾面积因素。

至于环路稳定性的验证，让EDA工具帮我们去做繁琐的计算吧。

下一节，主要分析该结构的PSRR。敬请关注。

magicdog

不懂，这个电路能出电流吗？  谁来说说

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回复 3# magicdog

可以的，可以选择从M4镜像出去，如M7所示，也可以镜像M1。构成Current Source/Sink。

semico_ljj

回复 2# 131v1vv

还可以。

totowo

给楼主赞一个。
提一个问题，这个三支路电流源跟传统的Constant-gm电流源比有没有什么优点？
1、PSRR
2、Noise

传统的constant  gm电流源就没有第三个支路（没有M3/M4)，只有一个正反馈回路，但接法和此电路有一点区别，是M1和M6都接成diode形式，此时可以推出其正反馈系数<1，仍然是稳定的。

当然两者都需要启动电路。

本期分析三支路电流源的环路稳定性，俗话说，麻雀虽小五脏俱全，尽管该电路所用器件个数不多，主体仅包含6个 ...
131v1vv 发表于 2016-11-14 22:02

                               
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回复 6# totowo
psrr的要好于4管结构，具体分析，周末会更新在eetop如果着急可以关注公众号，先行围观。噪声的分析目前还在进行中，敬请期待，也欢迎指教批评

131v1vv

前边的分析，可以看到，三支路电流源加入了反馈结构，有利于保持整体的稳定，参考资料里也提到了能提高电源抑制比（PSRR）。接下来就分析一下，到底是如何做到的。

首先，补充前述三支路电流源电路如下图1，芯片实际工作环境下，电源的噪声通常是比较大。

图1

如图2所示，对于PSRR的计算，首先得到低频小信号等效模型，其中M2未考虑体效应。利用Kirchhoff laws，可以得到Vx、Vy和Vz关于输入Vi的3元方程组。

图2

为方便计算，有一些简单的等效和假设，输出阻抗都为ro，gm6=gm5=gm4，gm3=gm1，gmro>>1。

使用数值计算软件Mathematica，可以得到Vx，Vy，Vz和Vt相对于Vi的增益。

图3

忽略ro的低阶项，可以得到化简后的增益如图4所示。其中电源到Vy点是二极管连接，何直觉一致，增益约为1；电源到Vx的增益为1/gmro量级；电源到Vz和Vt的增益为1/(gmro)^2量级。具有比较高的电源抑制比。

图4

    对比下Razavi第11章中结构如图5所示的基本结构，同样Vt/Vi增益仅为1/gmro量级。

图5

因此三支路电流源的增加反馈回路，能够提高PSRR。

好了，本部分就这么多内容了，下一篇会关注三支路电流源的噪声特性，敬请期待。

hehuachangkai

兄弟产量高啊，是个很务实的人呢，佩服呀，惭愧啊。。

widlarfan

You make circuit design too complicated.