CMOS運放的工作原理與參數解釋及分析

CMOS運放的電路結構確定后，最重要的是確定運放各級的工作電流與工作電壓。為使運放工作正常，首先要保證運放各級放大器中的場效應管在靜態和規定的動態條件下，處于飽和區；其次，在靜態條件下，輸入端等于零電壓時，輸出端電壓為零，即要有小的失調電壓；第三，根據增益、輸出動態幅度等確定各級放大器及偏置電路的工作電流。我們知道，MOS管的工作電流、電壓決定于工藝參數和溝道的寬長比。如果工藝參數確定之后，工作電壓（VG1）也就確定了，那么MOS管的工作電流ID只與溝道的寬長比有關。因此在MOS運放中，各級放大器的工作點與MOS管的溝道寬長比密切相關。下面我們以常用的CMOS運放電路為例來進行分析，為使MOS運放具有小的失調電壓，如何來確定各級放大器中的MOS管的溝道寬長比。

利用圖3.2-1所示的電路進行輸入失調電壓分析。

在這里，影響電路輸入失調電壓的因素包括M1和M2本身的輸入失調電壓和M3、M4管失配的影響（記為），以及后級的影響（記為），故電路總的輸入失調電壓為

根據第二章第五節的討論可知，為

1、失調電壓

必須指出，上式的失調電壓的表示式是在考慮輸入對管M1、M2和電流源管M3、M4對稱條件下得出的，它是由工藝參數（如擴散不均勻，氧化層厚度不均勻）、制版、光刻等原因引入的隨機失調電壓。要減小這種隨機失調電壓，應改善工藝條件、提高制版、光刻精度，此外，在設計版圖時，應使輸入對管M1、M2和電流源對管M3、M4盡量靠近，以減小M1、M2管的閾值電壓差值和M3、M4管的閾值電壓差值，并適當加大管子尺寸，以減小M1、M2和M3、M4的溝道寬度、長度的相對誤差。

第二項失調主要由第二級引起的。由于MOS跨導較小，輸入級的差分增益不是很大，這樣第二級引起的失調折合到輸入端的失調電壓不能忽略。

若輸入對管M1、M2和電流源對管M3、M4是對稱的，則輸入電壓為零時，M3管的漏源電壓與M4管的漏源電壓相等，由圖3.2-1可得

由于M3、M4和M5管的工藝參數、閾值電壓相同，則根據MOS管的電流表示式以及（3.2-2）式，可得

顯然要使失調電壓為零，應使M5管的電流Io與M7管的電流IT相同，而M7管與輸入級差分放大器的電流源管M5是同一偏置電壓，故Io（M5管的工作電流）與IT有如下關系：

因，則由（3.2-4）、（3.2-5）式可得

因，上式也可寫成

因此，若使（M3+M4）與M6的溝道寬長比的比例與M5、M7的溝道寬長比的比例相等，后級對輸入失調電壓就沒有影響。倘若這些比例失配或有關管子的閾值電壓失配，就會引起輸入失調電壓的增加。但是，若輸入級的差分放大器的增益較大時，后級失配所引起的失調可以減小。放大器的MOS管的溝道寬長比確定以后，再根據電壓增益、輸出動態幅度等要求，確定工作電流。工作電流由偏置電路來提供。下面討論如何確定CMOS運放的工作點，并介紹MOS管的參數選擇（主要是溝道的寬長比）。

2、工作點與管子參數

圖3.2-2是典型的二級CMOS運放。RB和M6構成偏置電路，以提供輸入級差分放大器和輸出級電路的工作電流。差分放大器由差分對管M1，M2、有源負載M3、M4和作為電流源管的M7所組成。M5和M6構成第二級共源放大器。電容為頻率補償電容。

運放結構確定后，首先確定直流工作點。

現設VDD=5伏，Vss=-5伏，管子的閾值值電壓▕VT▏=1伏。從輸出的動態幅度考慮，設定圖中節點②的電位為-2伏，即伏。從電路的功耗、放大器的增益、輸出的驅動能力等方面考慮，選取偏流微安，差分放大器的工作電流微安，輸出級電路微安。根據工作電流，偏流電阻RB為

設NMOS管的參數為

則M6的寬長比為

類似于（3.2-6）式，的寬長比由下式求得

在靜態條件下（輸入電壓為零），為使失調電壓為零，應使，根據圖3.2-2和關系式（3.2-6）可得管的寬長比為

圖中的差分放大器增益可寫成

式中的λ為溝道長度調制參數。

設伏^-1，而微安，微安/伏²，則（3.2-9）式表示為

第二級增益為

式中的微安/伏²，微安，λ=0.01伏^-1。因此上式可寫為

為使第二級的跨導gm，大于輸入級差分放大器跨導，選擇

由（3.2-8）式得M3、M4管的寬長比為

現將圖3.2-2電路中各管的寬長比，列于表3.2-1

此時，圖3.2-1所示的運放的電壓增益為

運放的輸出阻抗為

運放第一級的跨導為

運放第二級的跨導為

如果設計運放的單位增益帶寬GB為1兆赫，那么根據第一節的（3.1-3）式，補償電容值為

運放的零點為

運放的第一極點：

運放的第二極點與負載電容有關CL，其值為

根據第一節的討論和（3.1-7）式，負載電容CL應小于23皮法，否則運放在深度負反饋工作時，有可能出現高頻振蕩。CMOS運放。為提高運放的穩定性并消除零點，其方法是用頻率補償電容與電阻串聯后進行補償，而。其電路形式如圖3.2-3所示。

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CMOS運放的實際電路

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