大信號，小信號與工作點

大信號和小信號

·大信號 就是晶體管的真實的IV特性，我們把MOS管的工作區(qū)域分為截止區(qū)，線性區(qū)，飽和區(qū)，在飽和區(qū)遵循平方律模型，平方律模型實際上還受到到Vds的影響（溝長調(diào)制效應），還受到Vbs對閾值影響的影響，這都是大信號。

·小信號 為了方便研究，當MOS管的電壓或電流，在一個偏置點附近很小地變化時，使用大信號就有些殺雞焉用牛刀，因此我們通過簡化成小信號來描述電氣特性，這里我們引用一段書里的話：

在對信號會顯著影響偏置工作點的電路進行分析時，尤其是要考慮非線性的情況下，這一模型被證明是不可缺少的。相反，如果信號對偏置影響小，那么就可以用小信號模型簡化計算。小信號模型是工作點附近的大信號模型的近似。

從上述描述可以看出，小信號是一種大信號的簡化，是電路工作在偏置點時，將幾乎不會變化的大信號參數(shù)進行忽略，留下仍會變化的電氣參數(shù)進行簡單分析的一種方法。那么為了進行小信號分析，一個重要的前提就是，運放工作在一個固定偏置點上。

工作點

小信號是大信號工作在固定偏置點下電路體現(xiàn)，那么為了得到我們需要的小信號性能，例如運放的增益，BW，GBW，PM，那么一個重要的前提就是電路要工作在小信號需要的偏置點上。偏置點可以選擇的自由度是很多的，例如對一個MOS管，Vgs，Vds，Vbs等等都是可以設置的，但是對于模擬CMOS電路，大部分電路偏執(zhí)點有一個前提：
MOS管工作在飽和區(qū)
注：現(xiàn)在很多電路的MOS管也工作在亞閾值區(qū)，但這種情況和飽和區(qū)比較相似，因此本文暫時忽略工作在亞閾值的情況

運放與電流鏡的關系

如何讓運放的MOS管工作在飽和區(qū)

單級共源放大器

讓我們以上圖為例，研究如何讓這個共源放大器的MOS管都工作在飽和區(qū)。這是一個電流源負載的共源放大器，其中M2作為電流源使用，其電流是通過Vb提供的。在這個放大器中，需要的偏置電壓包括：

·Vb偏置M2·Vin雖然是輸入電壓，但是其電壓值在一個固定電壓值附近波動，這個固定電壓值就是M1的偏置電壓

對于如何讓他們工作在飽和區(qū)，我們通過大信號的思路去分析：

1.Vb偏置M2，產(chǎn)生一個電流I2；2.Vin偏置M1，產(chǎn)生一個電流I1；3.直觀地，或者說根據(jù)KCL，I1=I2；4.假設M1和M2均工作在飽和區(qū)，根據(jù)Vb和Vin的值以及平方律模型，它們產(chǎn)生電流I1，I2；5.如果I1剛好等于I2，那么他們工作在飽和區(qū)的假設成立；6.如果I1>I2，由于它們的電流需要相等，因此Vout會適當減小，通過降低M1的Vds1，增大M2的|Vds2|，調(diào)節(jié)他們的電流相等；7.如果這個調(diào)節(jié)過程中，vds1仍然滿足Vds1>Vod1,那么M1仍然工作在飽和區(qū)；如果不滿足，那么M1就工作在線性區(qū)；8.I1<I2的情況也可根據(jù)上述進行分析；

在上述過程中，造成M1或M2被擠壓到線性區(qū)的本質(zhì)是，M1和M2假設他們工作在飽和區(qū)產(chǎn)生的電流I1和I2不相等，且相差較大。因此，為了避免該情況的發(fā)生，就需要合理地設置Vb和Vin。

差分輸入，差分輸出放大器

針對上圖的差分輸入，差分輸出，我們可以做類似的分析。首先，在工作點時，差分輸入為0，兩個輸入被偏置在輸入共模電壓上，這個時候差分運放的左右工作在對稱，也就是相同的狀態(tài)，以左邊為例：

·上半部分的電流是由Vb3偏置M7確定的，工作電流為I1；·下半部分的電流因為輸入差分電壓為0，左右各分ISS/2的電流；·假設I1和ISS/2是所有晶體管工作在飽和區(qū)的電流值，如果I1>ISS/2,那么X點電壓Vx會升高，通過調(diào)小M5和M7的|Vds|來減小I1，同時M1，M3，M9的Vds會增大，從而增大ISS/2，以此來讓I1和ISS/2相等；·如果Vx升高太多，那么就會把M5或者M7擠入線性區(qū)；·I1<ISS/2的情況也可以作此分析

因此，為了讓所有晶體管工作在飽和區(qū)，那么就要讓Vb3和Vb4合理地選擇以滿足ISS/2=I1。

如何用電流鏡偏置運放

從上文可知，讓運放工作在飽和區(qū)地關鍵是運放地上半部分（PMOS部分）和下半部分（NMOS部分）按照飽和區(qū)的工作狀態(tài)產(chǎn)生的電流相等。那最好的方式就是讓他們從一個電流源拷貝過來，如下圖所示。

電流鏡偏置運放

在上圖中，如果IREF1和IREF2是一個電流源而來，通過Mb2和M7，Mb1和M9合適的比例設置，就可以滿足上文的要求。為了更好地匹配，實際電路中，Mb2和M7，Mb1和M9通常采用相同的W/L，通過改變并聯(lián)個數(shù)來實現(xiàn)，這樣可以保證在不同PVT下拷貝都很精準。

共模反饋的作用

然而，即使我們再精心地在前仿真時候設計，實際到后仿真，tape-out，因為器件失配，上文描述的電流相等也幾乎不可能出現(xiàn)，而且這樣去匹配本身就違背了魯棒性的原則。這就體現(xiàn)了共模反饋電流的重要性。

電流鏡偏置運放

如上圖所示，通過共模反饋電路環(huán)路去調(diào)節(jié)“上”，“下”電流中的一個，讓兩者相等，這樣可以更魯棒地實現(xiàn)上文的電流相等要求，讓運放的所有晶體管工作的飽和區(qū)。即使有共模反饋電路的“加持”，但上節(jié)提到的匹配設計還是很有必要，它可以減輕共模反饋電路的負擔，也是一種更為模塊，規(guī)整的設計思路。

總結

通過本文，我們可以看出，其實運放的晶體管就是電流鏡的拷貝晶體管，而偏置電路就是一個電流鏡的源頭。因此，CMOS運放放大器的本質(zhì)就是電流鏡（起碼大信號是？）。