實(shí)驗(yàn)室組會(huì)上提到了這個(gè)class AB輸出結(jié)構(gòu)，很有意思，是競(jìng)賽的題目。這篇論文非常經(jīng)典，也被Sansen收錄在他的圣經(jīng)著作中，這種偏置結(jié)構(gòu)他稱(chēng)之為translinear loop。

今天就來(lái)讀一讀這篇論文《A compact power-efficient 3 V CMOS rail-to-rail input/output operational amplifier for VLSI cell libraries》，并結(jié)合Ivanov的理解談一談這個(gè)結(jié)構(gòu)。

class AB的浮動(dòng)電流源結(jié)構(gòu)是很常用的，相信大家也在各種書(shū)里見(jiàn)過(guò)，非常神奇，它為輸出級(jí)n管和p管提供偏置，同時(shí)提供VG之間的一個(gè)電壓差值，使兩管同步導(dǎo)通，一起上拉下推。這里面其實(shí)還有不少變化和細(xì)節(jié)問(wèn)題。兩個(gè)浮動(dòng)電流源的作用是不同的，論文中詳細(xì)闡明了兩者的區(qū)別，尤其左邊，它不是必須的，而是一步步演變過(guò)來(lái)。

一、M16&M20——以共模反饋的觀點(diǎn)看靜態(tài)電流IQ的控制

Ivanov認(rèn)為這種Class AB輸出的行為與具有共模反饋的差分結(jié)構(gòu)是一致的，沿用了一般的具有共模反饋的信號(hào)流圖來(lái)表示這里的環(huán)路控制。

他是這么描述的，對(duì)于輸出管MN和MP來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)量需要控制，一個(gè)是輸出電壓Vout=(IN-IP)*ZL，還有一個(gè)是靜態(tài)電流IQ。IQ經(jīng)常通過(guò)其他自變量產(chǎn)生，必須創(chuàng)建同時(shí)控制兩個(gè)晶體管的控制系統(tǒng)。在這種情況下，必須使用電流sensor——FP和FN來(lái)測(cè)量電流Ip和In，并將這兩個(gè)電流的平均值與Iq進(jìn)行比較，然后將其用于反饋控制回路。有以下兩種流圖描述這種行為：

a圖中，這個(gè)環(huán)路應(yīng)該有一個(gè)負(fù)增益-G的放大器（我們這里假設(shè)是電流放大器）。 該放大器的輸出應(yīng)該使用分配器或分路器進(jìn)行分路，通過(guò)鏈路E1和E2向門(mén)節(jié)點(diǎn)變量IGP和IGN提供兩個(gè)信號(hào)。 輸入信號(hào)VIN應(yīng)該通過(guò)跨導(dǎo)放大器A1和A2到達(dá)相同的節(jié)點(diǎn)。 如果柵極節(jié)點(diǎn)變量為電流，則對(duì)柵極節(jié)點(diǎn)電阻R1和R2進(jìn)行求和，得到柵極驅(qū)動(dòng)電壓變量VGSP和VGSN。

b圖是a圖的一個(gè)等效圖，是比較實(shí)用的。

以浮動(dòng)電流源類(lèi)型的Class AB輸出級(jí)為例，可以這么理解：

該電路中的Class AB推挽操作由兩個(gè)反饋環(huán)控制。 晶體管MNS為MN提供本地反饋回路，當(dāng)MN的電流減小時(shí)增加電流IMNS（圖7-3C的FN和gmns)，起到保持MN柵極電壓的作用，同時(shí)使晶體管MP導(dǎo)通（MNS的源極和漏極實(shí)現(xiàn)分配器功能操作）。這里IP和IN的電流sensor就是VGSP和VGSN，與VP、VN相減，則偏置電壓VP、VN就是控制共模量IQ的關(guān)鍵所在。圖中有一些量沒(méi)有標(biāo)出來(lái)，我在下圖中重新標(biāo)注了一下，作流圖時(shí)應(yīng)把RP、RN看作樹(shù)，MPs和MNs看作余樹(shù)。

關(guān)于這個(gè)浮動(dòng)電流源對(duì)于第一級(jí)增益的影響，如果兩管gm相同，那么相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的1/gm電阻，可以忽略不計(jì)。如果gm不同，可以通過(guò)上面的流圖計(jì)算出兩端分別的增益（這里不展開(kāi)了）。

二、M27&M28——疊加電流的巧妙方法

左邊的這個(gè)浮動(dòng)電流源更有來(lái)頭了。我們一步步解釋它的由來(lái)。

論文中說(shuō)，最初的設(shè)計(jì)如圖6，第一級(jí)就完完全全是個(gè)折疊cascode單級(jí)運(yùn)放，然后搭上了后面的Class AB輸出級(jí)，就是把上面的結(jié)構(gòu)拼在一起。問(wèn)題在于Ib6和Ib7兩個(gè)電流源不但降低了增益，還引入了額外的噪聲和失調(diào)，作者希望不要引入Ib7和Ib7這兩個(gè)額外的電流源，于是變成了圖8：

此電路有些問(wèn)題，在于IQ受到共模輸入電平的影響較大。由于Ib3、Ib4是限定死的，那么M20和M19的電流之和就等于Ib4減去輸入P管的電流，變化較大。于是作者又想辦法，不能將這里的Ib4限定死，希望底下的電流能隨P管過(guò)來(lái)的電流變動(dòng)而變動(dòng)，而M16的電流保持不變。他分別做了兩個(gè)電流源，通過(guò)折疊的電流源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了這一功能，得到圖9：

但他還是對(duì)這個(gè)電路有些不滿(mǎn)意，將Ib3和Ib4也合并掉了，得到圖10：

除了節(jié)省掉一路電流，它還有額外的好處：Ib3產(chǎn)生的噪聲由電流鏡傳過(guò)來(lái)疊加之后，兩個(gè)相關(guān)的噪聲抵消掉了！這不同于圖9，圖9中兩路電流源是獨(dú)立的非相關(guān)的，疊加到輸出端時(shí)，噪聲的方差要相加。

電流源Ib3應(yīng)該采用何種結(jié)構(gòu)呢，這是個(gè)浮空的電流鏡，容易想到的是sansen書(shū)上的這種結(jié)構(gòu)：

但作者不滿(mǎn)足于這種固定電流的電流鏡，而是使用了和電流疊加端相同的結(jié)構(gòu)，如圖11：

這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺陷是電流源的輸出阻抗不夠大，只有1/gm，所以會(huì)隨輸入共模電平的變化而有一定的波動(dòng)。但這個(gè)波動(dòng)不如圖8那么直接，相當(dāng)于有個(gè)電阻分流在這，變化會(huì)減小幾倍。

好在如果設(shè)置的電流本身就夠大（這樣cascode管的gm大，還正好可以用上cascode補(bǔ)償），那么輸入級(jí)電流的變化再經(jīng)過(guò)分流過(guò)來(lái)，影響就很小了。論文里輸入級(jí)的電流是2.5uA，M19M20的電流是28uA。最后共模輸入電平對(duì)Ifloat的影響大概只有5%。

那么為什么采用這種輸出阻抗小的電流源呢？作者有他的理由，他希望電源對(duì)兩邊的影響是一致的，這樣對(duì)靜態(tài)電流IQ的影響最小。推導(dǎo)比較復(fù)雜，暫時(shí)也沒(méi)有想到直觀理解的方法。

掃描VDD，查看輸出級(jí)N管的VGS，綠色采用了理想電流源，紅色采用了文獻(xiàn)中的電流源?？梢钥吹?，VDD的影響確實(shí)小了很多。

其實(shí)本身采用理想電流源，這個(gè)VGS變化也不是非常大。如果電路上下完全對(duì)稱(chēng)，那VDD的影響就是0。但N管和P管很難做到完全一樣。

所以說(shuō)這里有個(gè)取舍，要看共模電平和VDD哪個(gè)對(duì)IQ的影響更大以決定這里浮動(dòng)電流源的結(jié)構(gòu)選擇。

總結(jié)

這個(gè)小小的電路蘊(yùn)含著很多細(xì)節(jié)，左右兩邊結(jié)構(gòu)一樣，但作用卻完全不同。Ivanov從共模反饋的角度來(lái)理解這里IQ的控制，非常深刻，很有意思。原論文中，考慮了很多影響IQ的因素，也考慮了噪聲和失調(diào)的優(yōu)化。在優(yōu)化VCM的影響還是優(yōu)化VDD的影響之間，選擇了后者。