Fuente de corriente como carga en un amplificador diferencial

Su suposición inicial es correcta: dimensiona M3 y M4 para que con una entrada diferencial cero, la corriente a través de las dos ramas sea 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 ignora una diferencia muy pequeña. Afortunadamente, esta diminuta diferencia fluye en la resistencia de salida de M3 y M4, que es muy alta, lo que produce una oscilación de voltaje de salida alta y (con suerte) la ganancia requerida.

Cuando aplica una gran señal, como la 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 M3 y M4 como fuentes de corriente ideales porque algunas hipótesis que hizo ya no son ciertas.

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

Dado que para M3 conoce Vgs e Ids, también se conoce Vds -> puede calcular el voltaje de salida. Lo que no puedes saber es M1 Vds, junto con sus 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 bajo tierra.

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 de M5 (es decir, el voltaje de fuente M1) comenzará a disminuir, realmente le gustaría incluso bajo tierra, pero desafortunadamente probablemente necesite algo de voltaje de saturación en ese nodo (~ 200 mV), debajo de eso, M5 simplemente deja de comportarse como una fuente de corriente y su corriente de drenaje cae, y finalmente obtiene cero corriente en la rama derecha, y una corriente que es entre Iss/2 e Iss en el ramal izquierdo.

Pregunta 1) Simplemente polarícelos para que sus corrientes sean iguales. La configuración del "espejo actual" hace exactamente eso: entonces no necesita saber qué es realmente Iss.

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

Considere su uso real: tan pronto como comience a encender M1, intentará consumir un poco más de corriente, pero M3 se resistirá. El resultado es un gran cambio en Vout. Si el dispositivo es de circuito abierto (un comparador), Vout se acercará bastante al voltaje de suministro y activará la lógica del comparador.

Sin embargo, en un amplificador, Vout se vuelve a conectar a Vin (M2) a través de una red de retroalimentación negativa (componentes externos), restaurando así el equilibrio entre los transistores de entrada.