2. 偏置电路基础：电流镜原理、基本偏置结构、偏置电压的产生

偏置电路这东西，说白了就是给模拟芯片里的管子定个“工作点”。你想想看，一个运放如果没有稳定的偏置，它的输入对管可能直接关断或者进入线性区，那整个电路就没法正常工作了。我早年刚入行时，总觉得偏置电路就是几个电流镜搭一搭，后来被一个项目狠狠教育过——温度一变化，偏置电流漂了30%，整个ADC的INL直接崩掉。从那以后，我对偏置电路的态度就变成了：基础不牢，地动山摇。

2.1 电流镜原理

电流镜的核心思想很简单：复制电流。你有一个精准的参考电流 I_REF，通过电流镜复制出多个副本，给电路的不同模块供电。

最基本的电流镜结构就是两个匹配的NMOS管。假设M1和M2都工作在饱和区，且V_GS相等，那么：

I_OUT = (W/L)_2 / (W/L)_1 × I_REF

这里有个关键点——沟道长度调制效应。实际中M1和M2的漏极电压往往不同，导致I_OUT和理想值有偏差。我习惯用长沟道器件来抑制这个效应，或者用共源共栅结构。

2.2 基本偏置结构

2.2.1 单管偏置

最简单的偏置结构就是一个二极管连接的MOS管。把栅极和漏极短接，管子就工作在饱和区，产生一个稳定的V_GS。这个V_GS可以用来偏置其他管子。

但单管偏置有个大问题——电源抑制能力差。VDD一波动，V_GS跟着变，偏置电流就飘了。我在一个低功耗项目中用过这种结构，结果电源噪声直接耦合到信号通路里，信噪比掉了6dB。后来果断换了共源共栅。

2.2.2 共源共栅偏置

共源共栅结构，就是在单管上面再叠一个管子。这样做有两个好处：

• 输出阻抗大幅提升：从r_o提升到约g_mr_o²
• 屏蔽效应：下面管子的V_DS几乎不变，电流复制更精准

我曾经在一个12位SAR ADC的参考电压缓冲器里用了共源共栅电流镜，输出阻抗做到了MΩ级别，电源抑制比提升了20dB。嗯，代价就是多占了一点电压余量——叠管子的V_DS至少需要2V_OV + V_TH。

2.3 偏置电压的产生

偏置电压怎么来？常见的有三种方式：

方法	原理	优点	缺点
电阻分压	用电阻串从VDD分压	简单、无静态功耗	随VDD变化，精度差
二极管连接MOS	MOS管栅漏短接产生VGS	与工艺相关，可复制	温度系数大
带隙基准	利用VBE和ΔVBE的温度补偿	温度系数极低（<10ppm/℃）	电路复杂，面积大

实际项目中，我通常这样选：

• 对精度要求不高的数字模块，用电阻分压就行
• 模拟核心电路，至少用二极管连接MOS加电流镜
• 高精度ADC/DAC，必须上带隙基准

2.4 偏置电路知识体系

下面这张图是我自己总结的偏置电路知识框架，帮你理清思路：

2.5 偏置电路设计要点

最后，我总结几个偏置电路设计的核心要点：

1. 启动电路不能省：很多偏置电路存在“零电流”简并点，必须加启动电路让系统脱离这个状态。我见过一个团队流片回来发现芯片不工作，查了两个月才发现是启动电路没加。
2. 匹配性优先：电流镜的匹配精度直接决定整个芯片的性能。版图上用共质心、加dummy管、保持周围环境一致，这些功夫不能省。
3. 温度系数要算：偏置电流的温度系数会影响整个芯片的温度特性。我习惯在仿真时跑-40℃到125℃的全温范围，看看偏置电流漂了多少。
4. 电源抑制要够：偏置电路对电源噪声的抑制能力，决定了整个芯片的PSRR上限。共源共栅结构在这方面有明显优势。