生成任意量級的偏置電流網絡(第二部分)
發布時間:2021-01-04 責任編輯:wenwei
【導讀】利用運放反饋與基準電壓生成任意大小的直流電流是一個簡單、直接的過程。但是,假設須要生成一些任意數量(以N為例)的電流沉/源(current sink/source),而每個電流沉/源(yuan)的(de)大(da)小(xiao)任(ren)意(yi),可(ke)能(neng)須(xu)要(yao)針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)階(jie)段(duan)的(de)一(yi)些(xie)複(fu)雜(za)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)偏(pian)置(zhi)。雖(sui)然(ran)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)的(de)生(sheng)成(cheng)僅(jin)須(xu)一(yi)次(ci)實(shi)施(shi)即(ji)可(ke),電(dian)流(liu)沉(chen)整(zheng)個(ge)反(fan)饋(kui)部(bu)分(fen)的(de)重(zhong)複(fu)進(jin)行(xing)卻(que)使(shi)成(cheng)本(ben)與(yu)設(she)計(ji)空(kong)間(jian)密(mi)集(ji)化(hua)。那(na)麼(me)問(wen)題(ti)來(lai)了(le):是否可以使用單個反饋源來實現這種偏置網絡呢?答案是肯定的,盡管這有些複雜,也須滿足某些特定條件。
本係列上一篇文章中,得出了描述如圖1中第N個RSET電阻比的等式。

圖1:灌電流網絡
該等式如下所示:

現在,關於等式1,有什麼可說的呢?首先,MIN比為1時,相應的MRN比也將為1,這恰如預計的一樣。第二,MIN大於1時,等式1分母中兩個項具有不同的表現。這意味著基於某些相關物理量(Kn、RSET1、VREF)的取值,MRN可以變得任意大。因此,應避開這一範圍,相應地,應轉向MIN ≤ 1區域,即確保ISINKN小於或等於ISINK1,N取任意值。
注意,等式1中根項的分母(Kn、RSET1、VREF乘積)在MRN與MIN1:1線性關係中可導致結果變得極大。最終,VREF和RSET1可增大該乘積結果的可用範圍值將受相應的沉餘量所限製,不過值得注意的是,ISINK1值固定時,增加VREF需要同時增加RSET1。乘積中最後一個變量Kn是MOSFET過程跨導,可通過設備的選擇使其最大化。Kn針對MRN與MIN線性關係(50個Kn取值)的影響見以下圖2所示。

圖2:過程跨導電阻比vs電流比
過程跨導的命名是基於其對所有材料與工藝過程屬性如載流子遷移率、氧化物介電常數和氧化層厚度(μ、εox、tox)的依賴:

不過,它也依賴於設備的W/L比,所以在一般較大的設備中,等式1將表現出更為突出的線性行為。雖然大多數數據資料中不包括Kn,但它可以從一個普通的參數計算而來,這個參數是向前跨導,往往記作gm或gFS:

回想一下飽和區工作的NMOS漏極電流等式為:

忽略通道長度調製並調整方程4的項後,可得出:

將結果代入等式3,最終得出Kn:

因此運用等式7可為偏置網絡選擇最優的MOSFET設備。此外,獲得該值後,可用於等式1以(更準確地)計算出所需RSETN電阻值,從而生成所需ISINKN電流。
須重點注意的是,等式1傾向於高估MIN≤1區域的RSETN電阻;也就是說,這會導致電流低於所需值。然而理想的晶體管(MIN=MRN)總會使這一區域的RSETN電阻被低估。因此,計算這兩個值將最終限製住所需的確切值。兩個隨機選擇的NFET、2N6755和IRFZ40,其中列出了gFS分別為5.5A/V2(ID= 9A)和15A/V2(ID=31A)。假設用以實施的MIN比為¼,用等式1計算糾正的RSETN和MRN比值(以及一些簡單的設計值),結果如下麵表1所示。

表1:電路參數和計算出的RSETN和MRN(MIN=¼)
利用以上所列有關IRFZ0晶體管的情況,圖3顯示的是TINA-TI圖1電路模擬的結果,RSETN值的計算基於理想狀態(這類狀態下為5Ω)、糾正狀態(等式1)以及兩者平均的狀態。

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IRFZ40兩者進行模擬的結果以及RSETN的三個不同取值經彙總後見以下表2,其中已計算出百分誤差。

表2:RSETN計算方法與相應準確性
最zui終zhong,隻zhi要yao一yi些xie特te定ding條tiao件jian得de以yi滿man足zu,特te別bie是shi主zhu反fan饋kui驅qu動dong的de柱zhu的de電dian流liu為wei網wang絡luo中zhong最zui大da的de電dian流liu,且qie各ge柱zhu保bao持chi適shi當dang餘yu量liang,那na麼me可ke利li用yong單dan個ge反fan饋kui裝zhuang置zhi獲huo得de任ren意yi值zhi的de偏pian置zhi網wang絡luo。這zhe樣yang,基ji於yu單dan一yi電dian壓ya基ji準zhun的de偏pian置zhi網wang絡luo就jiu得de以yi建jian立li。
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