【導(dǎo)讀】利用運(yùn)放反饋與基準(zhǔn)電壓生成任意大小的直流電流是一個(gè)簡(jiǎn)單、直接的過(guò)程。但是,假設(shè)須要生成一些任意數(shù)量(以N為例)的電流沉/源(current sink/source),而每個(gè)電流沉/源的大小任意,可能須要針對(duì)不同階段的一些復(fù)雜模擬電路進(jìn)行偏置。雖然基準(zhǔn)電壓的生成僅須一次實(shí)施即可,電流沉整個(gè)反饋部分的重復(fù)進(jìn)行卻使成本與設(shè)計(jì)空間密集化。那么問(wèn)題來(lái)了:是否可以使用單個(gè)反饋源來(lái)實(shí)現(xiàn)這種偏置網(wǎng)絡(luò)呢?答案是肯定的,盡管這有些復(fù)雜,也須滿足某些特定條件。
本系列上一篇文章中,得出了描述如圖1中第N個(gè)RSET電阻比的等式。
圖1:灌電流網(wǎng)絡(luò)
該等式如下所示:
現(xiàn)在,關(guān)于等式1,有什么可說(shuō)的呢?首先,MIN比為1時(shí),相應(yīng)的MRN比也將為1,這恰如預(yù)計(jì)的一樣。第二,MIN大于1時(shí),等式1分母中兩個(gè)項(xiàng)具有不同的表現(xiàn)。這意味著基于某些相關(guān)物理量(Kn、RSET1、VREF)的取值,MRN可以變得任意大。因此,應(yīng)避開(kāi)這一范圍,相應(yīng)地,應(yīng)轉(zhuǎn)向MIN ≤ 1區(qū)域,即確保ISINKN小于或等于ISINK1,N取任意值。
注意,等式1中根項(xiàng)的分母(Kn、RSET1、VREF乘積)在MRN與MIN1:1線性關(guān)系中可導(dǎo)致結(jié)果變得極大。最終,VREF和RSET1可增大該乘積結(jié)果的可用范圍值將受相應(yīng)的沉余量所限制,不過(guò)值得注意的是,ISINK1值固定時(shí),增加VREF需要同時(shí)增加RSET1。乘積中最后一個(gè)變量Kn是MOSFET過(guò)程跨導(dǎo),可通過(guò)設(shè)備的選擇使其最大化。Kn針對(duì)MRN與MIN線性關(guān)系(50個(gè)Kn取值)的影響見(jiàn)以下圖2所示。
圖2:過(guò)程跨導(dǎo)電阻比vs電流比
過(guò)程跨導(dǎo)的命名是基于其對(duì)所有材料與工藝過(guò)程屬性如載流子遷移率、氧化物介電常數(shù)和氧化層厚度(μ、εox、tox)的依賴:
不過(guò),它也依賴于設(shè)備的W/L比,所以在一般較大的設(shè)備中,等式1將表現(xiàn)出更為突出的線性行為。雖然大多數(shù)數(shù)據(jù)資料中不包括Kn,但它可以從一個(gè)普通的參數(shù)計(jì)算而來(lái),這個(gè)參數(shù)是向前跨導(dǎo),往往記作gm或gFS:
回想一下飽和區(qū)工作的NMOS漏極電流等式為:
忽略通道長(zhǎng)度調(diào)制并調(diào)整方程4的項(xiàng)后,可得出:
將結(jié)果代入等式3,最終得出Kn:
因此運(yùn)用等式7可為偏置網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)的MOSFET設(shè)備。此外,獲得該值后,可用于等式1以(更準(zhǔn)確地)計(jì)算出所需RSETN電阻值,從而生成所需ISINKN電流。
須重點(diǎn)注意的是,等式1傾向于高估M
IN≤1區(qū)域的R
SETN電阻;也就是說(shuō),這會(huì)導(dǎo)致電流低于所需值。然而理想的
晶體管(M
IN=M
RN)總會(huì)使這一區(qū)域的R
SETN電阻被低估。因此,計(jì)算這兩個(gè)值將最終限制住所需的確切值。兩個(gè)隨機(jī)選擇的NFET、2N6755和IRFZ40,其中列出了g
FS分別為5.5A/V2(ID= 9A)和15A/V2(ID=31A)。假設(shè)用以實(shí)施的M
IN比為¼,用等式1計(jì)算糾正的R
SETN和M
RN比值(以及一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)值),結(jié)果如下面表1所示。
表1:電路參數(shù)和計(jì)算出的RSETN和MRN(MIN=¼)
利用以上所列有關(guān)IRFZ0晶體管的情況,圖3顯示的是TINA-TI圖1電路模擬的結(jié)果,RSETN值的計(jì)算基于理想狀態(tài)(這類狀態(tài)下為5Ω)、糾正狀態(tài)(等式1)以及兩者平均的狀態(tài)。
圖3:理想、糾正與平均RSETN值下的灌電流vs漏極電壓
使用2N6755和IRFZ40兩者進(jìn)行模擬的結(jié)果以及RSETN的三個(gè)不同取值經(jīng)匯總后見(jiàn)以下表2,其中已計(jì)算出百分誤差。
表2:RSETN計(jì)算方法與相應(yīng)準(zhǔn)確性
最終,只要一些特定條件得以滿足,特別是主反饋驅(qū)動(dòng)的柱的電流為網(wǎng)絡(luò)中最大的電流,且各柱保持適當(dāng)余量,那么可利用單個(gè)反饋裝置獲得任意值的偏置網(wǎng)絡(luò)。這樣,基于單一電壓基準(zhǔn)的偏置網(wǎng)絡(luò)就得以建立。
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