介绍基本MOSFET恒流源

时间： 2024-02-07 来源：TOPPOWER官网

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恒流源在电路分析练习和网络定理中占有重要地位，然后它们似乎或多或少消失了。除非你是IC设计师，尽管在典型 PCB 设计中很少遇到，但电流源在模拟 IC 领域却无处不在。这是因为它们 1) 用于偏置，2) 作为有源负载。

偏置：用作线性放大器的晶体管需要偏置，以便它们在其传输特性的理想部分工作。在 IC 设计中实现此目的的方法是使预定电流流过晶体管的漏极（对于 MOSFET）或集电极（对于 BJT）。该预定电流需要稳定并且独立于电流源组件两端的电压。当然，没有任何实际电路能够完全稳定或完全不受电压变化的影响，但正如工程中通常的情况一样，完美并不是必需的。

有源负载：在放大器电路中，可以使用电流源代替集电极/漏极电阻。这些“有源负载”提供更高的电压增益，并允许电路在较低的电源电压下正常工作。此外，相对于电阻器，IC 制造技术更青睐晶体管。

在整篇文章中，我将电流源的输出称为“偏置电流”或 I BIAS，因为我认为偏置应用是思考该电路基本功能的更直接的工具。

MOSFET恒流源电路

这是基本的 MOSFET 恒流源：

基本MOSFET恒流源

在我看来，它非常简单——两个 NMOS 晶体管和一个电阻。让我们看看这个电路是如何工作的。

正如您所看到的，Q 1的漏极与其栅极短路。这意味着V G = V D，因此V GD = 0 V。那么，Q 1处于截止区、三极管区还是饱和区？它不能处于截止状态，因为如果没有电流流过沟道，栅极电压将处于 V DD，因此 V GS将大于阈值电压 V TH（我们可以安全地假设 V DD更高）比 VTH ）。这意味着 Q 1将始终处于饱和状态（也称为“活动”模式），因为 V GD= 0 V，表达 MOSFET 饱和条件的一种方式是 V GD必须小于 V TH。

如果我们回想一下，没有稳态电流流入 MOSFET 的栅极，我们可以看到参考电流 I REF将与 Q 1的漏极电流相同。我们可以通过为 R SET选择适当的值来定制该参考电流。那么这一切与问题2有什么关系呢？饱和状态下 MOSFET 的漏极电流受沟道宽长比和栅源电压的影响：\[I_D=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2\]

此时我们忽略通道长度调制；因此，如公式所示，漏极电流不受漏极至源极电压的影响。现在请注意，两个 FET 的源极都接地，并且它们的栅极短路在一起，换句话说，两个 FET 都具有相同的栅源电压。因此，如果我们假设两个器件具有相同的沟道尺寸，则无论 Q 2漏极处的电压如何，它们的漏极电流都将相等。该电压标记为 V CS ，表示电流源元件两端的电压；这有助于提醒我们问题2与任何性能良好的电流源一样，它产生的偏置电流不受其端子间电压的影响。另一种说法是 Q 2具有无穷大的输出电阻：

图 2 Q2 输出电阻无穷大图解

在这些条件下，即使 V CS非常高，也没有电流流过输出电阻 R O 。这意味着偏置电流始终等于参考电流。

该电路的通用名称是“电流镜”。您可能会明白原因 - 右侧晶体管产生的电流镜像（即相似）流经左侧晶体管的参考电流。当您考虑到典型示意图所表现出的视觉对称性时，这个名称就特别合适。

顺便说一句，较旧的 IC 通常需要一个外部电阻器用于 R SET。然而，如今，制造商使用经过微调的片上电阻器，以达到足够的精度。

晶体管保持饱和的重要性

对这个电路的理想化分析的个主要冒犯是，当晶体管不饱和时，一切都会崩溃。如果 Q 2位于三极管（又称线性）区域，则漏极电流将高度依赖于 V DS。换句话说，我们不再有电流源，因为偏置电流受到 V CS的影响。我们知道Q 2的栅漏电压必须小于阈值电压才能保持饱和。

另一种说法是，当漏极电压变得低于栅极电压V TH伏时，Q 2将离开饱和区。我们无法给出一个的数字，因为栅极电压和阈值电压都会因一种实现方式而异。

一个合理的例子如下：产生所需偏置电流所需的栅极电压约为0.9V，阈值电压为0.6V；这意味着只要 V CS保持在约 0.3 V 以上，我们就可以保持饱和。

通道长度调制

不幸的是，即使我们的整体电路设计确保 Q 2始终处于饱和状态，我们的 MOSFET 电流源也并不完全理想。罪魁祸首是通道长度调制。

饱和区的本质是当栅漏电压不超过阈值电压时存在的“夹断”沟道。

图 3

夹断通道

这个想法是，在沟道被夹断后，漏极电流变得与 V DS无关，因为漏极电压的进一步增加不会影响沟道的形状。但实际上，V DS的增加会导致“夹断点”向源极移动，这样即使 FET 处于饱和状态，漏极电压对漏极电流的影响也很小。结果可以表示如下：

夹断点

I BIAS现在是 I REF（由 R SET确定）和 I ERROR（流经输出电阻的电流）之和。I ERROR遵循简单的欧姆定律关系：较高的 V CS意味着更多的 I ERROR以及更多的 I BIAS，因此电流源不再独立于其端子上的电压。

调整和转向

当您意识到这个方便的电流源电路有多么灵活时，它会变得更好。首先让我们看看如何调整 Q 2生成的电流。到目前为止，我们假设生成的电流与参考电流相同，但这仅当晶体管具有相同的沟道宽度与沟道长度之比时才是正确的。请记住饱和模式漏极电流的方程式：

\[I_D=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2\]

电流转向

图 4

这种巧妙的安排使我们能够从一个参考电流生成多个偏置电流。更好的是，这些电流中的每一个都可以不同——只需调整宽长比即可单独修改它们。

结论

我们介绍了基本 MOSFET 恒流源的操作和功能，还讨论了其局限性。正如形容词“基本”所暗示的那样，那里有更好的电路。但基本电路是一个很好的起点，因为双晶体管电流镜仍然是高性能拓扑的概念。

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