电流源开关的位置选择

有一天，作者君在看别人做的电路，忽然意识到一个问题：这个designer放电流源开关的位置，和作者君自己的习惯不一样。呃，到底哪种好一些呢？

一般来说，我们内部电路的电流，一般是由bandgap之类的模块产生的。当然，bandgap可能本身的driving能力有限，后面一般配个buffer，然后再挂上一堆的PMOS电流源：

Fig.1 电流源，开关，和本地电路

比如作者君这张图里面的remote bias gen，假设就是某个buffer的一部分。经过中间不知道有多么长（虚线）的金属走线，最后来到了一个local的模块，比如说一个ADC。当然，为了把这个远道而来的电路变成当地local群众喜闻乐见的好电流，旁边一般还加上诸如电容之类的小心思。不过，大致上的样子，就是作者君上面这张图里画的了。

回到正题，我们如果需要加入可控的功能，比如不想用这个local的ADC，就需要一个开关switch，可以随时关掉这个local bias gen。这个红色的开关，现在画在这里，大家有什么想法吗？

正常的开关当然是transistor，那么，到底要怎么放这个transistor呢？

Fig.2 直观的本地开关

好了，一个直观的想法就是这样。这个M2就是我们需要的东西。不过，怎么看起来有点那个啥啥？如果在低电压的电源下工作，比如典型的65nm以下的工艺，CMOS的VDD一般也就1.2V，假设Vth是450mV，我们稍微算算：

下面的M1是diode connection，所以M1的drain上面的电压大概是450+200=650mV，同时，这个电压也是M2的source电压。一般M2需要导通的时候，M2的gate连到了最高的Vdd，也就是1.2V。这样一来，M2的Vgs=1.2V-0.65V=0.55V。

所以说，我们以为M2是个非常好的，有着很大的Vgs，完全工作在线性区的完美的开关。结果，人家的vth只有可怜兮兮的不到一半的vdd。人世如此艰难，若是再去个ss Corner，vth再大点，那这个小可怜M2还能导通吗？这是个问题……

除此之外，M2因为可能vgs不够大，但是电流Id又被远处的电流源给限定了。所以，vgs不够的情况下，怎么办呢？靠Vds了！很可能的情况，会是M2在绝境中开始施展拳脚，上下去豪取抢夺需要的Vds（M2的Vds可能大于200mV，不是我们以为的几mV）来满足Id的要求。因此，可能我们远处的电流源那个PMOS被M2压得Vd一直上升，导致说好的10uA的电流，变成了9uA或者更小。悲剧 啊！

总结一下：1）M2的Vgs可能不够；2）M2需要导通一定的电流，Vgs不够的情况下，Vds需要增大，因而减小了上下两个transistor的vds。

既然已经知道了问题所在，那么怎么做可以解决这个问题呢？

Fig.3 优化之后的电路

换个位置！

前面Fig.2的M2，祸源是因为它除了需要表现得像是一个完全的开关，可以正常的导通或者断开，还得承担一定的电流运输工作。前一项，我们可以认为是数字的功能，后一项，我们可以认为这是模拟的功能。也就是说：

数字功能：通路的on/off;

模拟功能：电流输送能力强or弱；

So，我们如果专注于其中一项功能，也就是关键的数字功能，fig.3的结构就很实用了。在这里，M2只控制M1的gate和drain。因为CMOS transistor的gate上面基本上没电流（leakage暂时不谈），这样一来，即使M2不能完美的实现最大的vgs（等于1.2V的Vdd的Vgs，比如大部分的逻辑电路），但是此时的M2没有输送电流的需求，即使等效于一个大的电阻，也并不会影响主要通路，也就是从上面的PMOS到下面的diode M1。

同时，有时候我们会在M1的gate上面加个电容，还能一定程度起到LPF滤波器的作用。毕竟后面的local bias gen，关心的就是M1产生的这个Vg嘛！

But！作者君最后想起来一个事情：要想在power off的时候，真正的完全关掉M1，Fig.3里面的M2可能还是不够用！一个floating gate的M1，听起来总是感觉有点人心惶惶的……再在M1的gate上面加一个power off的开关吧！也就是M3了。M3的控制信号跟M2是相反的，所以能够在M2断开的时候，把M1的gate拉到vss，防止M1的gate上面的残余电荷造成不必要的麻烦。

PS：评论里面有位同仁说还可以这样：

Fig.4 低电压设计

Fig.4的好处，在于M2的Vgs等于Vdd，保证了M2一定会fully on。（不像Fig.3里面的M2的Vgs可能还是不太够用）但是，为了让M1的source不至于太大（后面电路的source都是连着vss，所以M1的source最好也是Vss），M2的尺寸还是大一些的好。so，有点浪费面积……

后来，有人在知乎上面评论fig.4的matching问题。好吧，再加一个图：

多加一个M4，尽量让M1和M5的source相等，这样M1和M5的matching就更好了。其实呢，把M1和M5的source连在一起，然后一起连到M2的drain上面，也不是不可以。但是，作者君不喜欢内部电路收到外面的干扰，所以没那么接。此处的Vg1也不要被内部电路使用，免得外部的noise啥的趁虚而入。

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