Fuente de corriente como carga en un amplificador diferencial

Tu estimación inicial es correcta: dimensionas M3 y M4, de modo que con entrada diferencial cero, la corriente a través de las dos ramas es la misma, es decir, Iss / 2.

Para entradas diferenciales pequeñas, esta condición siempre es casi cierta, es decir, la corriente a través de los drenajes M1 y M2 es casi Iss / 2 si se descuida una diferencia muy pequeña. Por suerte, esta muy pequeña diferencia fluye en la resistencia de salida de M3 y M4, que es muy alta, lo que produce un alto cambio de voltaje de salida y (con suerte) su ganancia requerida.

Cuando aplica una gran señal, como lo que describe en la última parte de su pregunta, suceden muchas cosas. Lo más importante es que sus modelos anteriores ya no funcionan: simplemente no puede tratar a M3 y M4 como fuentes de corriente ideales porque algunas de las hipótesis que realizó ya no son ciertas.

Supongamos que aplica el voltaje de entrada máximo: M1 está completamente activado y M2 está completamente apagado. Supongamos también que Iss es ideal. Toda la corriente debe fluir a través de la rama izquierda, y ninguna puede fluir en la derecha ya que M2 está desactivado. M3 se adaptará a la corriente más alta con un Vds más alto, que es donde el supuesto M3 y M4 llevan la misma falla actual: su Vds ahora es bastante diferente.

Ya que para M3 sabes que Vgs e Ids, Vds también se conoce - > Puedes calcular el voltaje de salida. Lo que no puedes saber es M1 Vds, junto con su Vgs. Lo que sucede aquí es que la fuente de corriente ideal proporciona el voltaje de drenaje necesario para mantener el circuito en pie, posiblemente un voltaje por debajo del nivel del suelo.

Si esa no es una fuente de corriente ideal, sino un mosfet, digamos M5, entonces toda la historia es una batalla entre M5 y M3: el voltaje de drenaje M5 (es decir, el voltaje de la fuente M1) comenzará a disminuir, realmente me gustaría para ir incluso por debajo del nivel del suelo, pero desafortunadamente probablemente necesite un poco de voltaje de saturación en ese nodo (~ 200mV), por debajo de ese M5 simplemente deja de comportarse como una fuente de corriente y su corriente de drenaje disminuye, y finalmente obtiene una corriente de cero en la rama derecha, y una corriente que está entre Iss / 2 y Iss en la rama izquierda.

Pregunta 1) Simplemente desvíelos para que sus corrientes sean iguales. La configuración del "espejo actual" hace exactamente eso, por lo que no necesita saber qué es realmente el problema.

Pregunta 2) Tiene razón: hay un conflicto entre los dos requisitos (M1 activado, M2 apagado) y la corriente igual en M3, M4. Este conflicto es lo que da la ganancia extremadamente alta en bucle abierto de la etapa.

Considere su uso real: tan pronto como comienza a activar M1, intenta extraer un poco más de corriente pero M3 se resiste a eso. El resultado es un gran cambio en Vout. Si el dispositivo está en bucle abierto (un comparador), Vout se acercará bastante a la tensión de alimentación y activará la lógica del comparador.

Sin embargo, en un amplificador, Vout se conecta de nuevo a Vin (M2) a través de una red de retroalimentación negativa (componentes externos), lo que restaura el equilibrio entre los transistores de entrada.