MOS運算放大器分類原理特點與應用

MOS運算放大器簡稱運放，它分NMOS運算放大器和CMOS運算放大器兩大類：所謂 NMOS運算放大器是運放中的場效應管全由NMOS管所構成；CMOS運算放大器是運放中的場效應管由P溝，N溝MOS管共同構成。

MOS運算放大器的設計同雙極型運放類似，主要從開環增益、輸出擺幅、共模抑制比、頻率特性，瞬態響應，失調電壓及功耗等方面考慮，但MOS運算放大器有本身的特點，在某些方面不同于雙極型運放，現說明如下：

（1）MOS運算放大器與雙極型運放

MOS運算放大器與雙極型運放相比，其最大優點是輸入阻抗高（10¹⁰歐姆以上）、輸入偏流板?。?0^-13~10^-12安培）和功耗低且有較大電壓增益，因此近幾年來MOS運算放大器特別是CMOS運算放大器得到迅速發展，成為大規模模擬集成電路中不可缺少的基本部件。

（2）雙極型運放

通常以單片集成電路的形式出現的，具有良好的電性能和通用性。而MOS運算放大器通常作為集成電路中的一個基本單元，如開關電容網絡，A/D、D/A等MOS集成電路，因此在設計MOS運算放大器時，不強調MOS運算放大器的通用性，而是根據集成電路的總體性能來定出MOS運算放大器的基本參數，例如MOS運算放大器的開環增益、驅動能力等，MOS運算放大器作為MOS集成電路中的一個基本單元，它的負載是MOS管高阻抗器件及電容，因此設計MOS運放通常并不需要低的輸出抗，而應有驅動電容負載的能力。另外隨著MOS電路的規模擴大，數字電路和模擬電路集成在一起（如A/D、PCM編碼譯碼器等），這時要考慮數字電路的開關噪聲通過電源對MOS運算放大器模擬電路的影響，這就要求MOS運放具有較高的電源電壓抑制比（PSRR）。電源電壓的變化所引起運放輸出電壓的變化越小，則其電源電壓抑制比能力越強。

（3）MOS等同雙極型器件

MOS等同雙極型器件相比，有較大的噪聲，特別在低頻端的1/f噪聲，因此在設計MOS運算放大器時，應考慮如何減小運放的噪聲。噪聲主要來自輸入級，而運放輸入項由差分放大器構成，因此，降低輸入差分放大器的噪聲，便可降低運放噪聲。

（4）MOS管的閾值電壓

MOS管的閾值電壓較大，因而有較大的失調電壓，在設計、制造MOS運算放大器時，應降低MOS管的閾值電壓，并從版圖設計、工藝等方面下功夫，以獲得低的失調電壓。

（5）MOS管跨導gm

MOS管跨導gm較低，并且跨導與工作電流ID的平方根成正比，這就使MOS運算放大器的頻率補償要比雙極型來得復雜（下面將要詳細討論）。

MOS運算放大器的方據圖如圖3.0-1所示，圖中高增益級通常是共源放大電路。補償電路通常是一只頻率補償電容，接在高增益級的輸入與輸出之間，以實現運放的頻率補償。

CMOS運算放大器的常用電路形式如圖3.0-2所示。它由二級放大器構成，第一級是由M1~M4構成的差分放大電路，第二級是與電流源Io2組成的共源放大器，此二級放大器提供的增益約1000~20000倍。電容Co為頻率補償電容。實際電路如圖3.0-3所示。

圖中和構成偏置電路，提供參考電流IR，與偏置電路組成電流源電路，提供差分放大器的工作電流以及作為M5共源放大器的有源負載。它的交流小倍號等效電路如圖3.0-4所示。

其中R1與C1分別為第二增益級輸入端的等效電阻與分布電容，R1值為差分輸出端M2、M4的輸出阻抗的并聯，即分別為第二增益級輸出端的電阻與電容，R2值為輸出放大器M5、M6的輸出阻抗的并聯，即，電容CL主要是輸出端的負載電容。

分別為放大器第一級與第二級的等效跨導，顯然，該電路的直流電壓增益為

圖3.0-5表示一般NMOS運算放大器的電路結構，它通常由輸入差分放大器、電平位移電路和輸出級共源放大器等三部分構成。由于NMOS運算放大器全由NMOS管構成，級與級之間的電平配置比較困難，電路結構復雜，為獲得較高增益，需三級以上放大器構成，這樣給頻率補償帶來困難，因此，NMOS運算放大器與CMOS運算放大器相比，缺點是明顯的。但是，由于NMOS電路的速度與集成度均比CMOS電路來得高，因此，在大規模MOS模擬集成電路中，有時也采用NMOS運算放大器。事實上，首次出現的全MOS運算放大器電路是NMOS運算放大器。

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