高速CMOS運放共源-共柵型特點及電路詳解

在許多實際應用中，如高速A/D、D/A轉換器和高頻開關電容濾波器，都要求運放有較頻的建立時間。例如，對于高速A/D，D/A轉換器來說，運放的建立時間的長短，往往決定了A/D、D/A轉換器的轉換速度的高低?？梢赃@樣說，運放的建立時間越短，則其速度越快。

由本章第三節討論可知，運放的單位增益帶寬越寬、高頻極點頻率越高則建立時間也越短，因此高速CMOS運放的設計，主要是如何提高單位增益帶寬和高頻極點須率。CMOS運放共源-共柵。目前高速CMOS運放的電路主要有兩種形式：共源-共柵電路結構；電流轉換型電路結構?，F分別討論這兩種高速CMOS運放電路。

通常的CMOS運放的設計，主要采用二級放大的電路形式，其簡化等效電路圖如圖3.5-1所示。這種電路結構比較簡單，而且設計技術已趨成熟，但由于內補償電容Cc引起的極點決定了運放的單位增益帶寬不能很寬，通常約1~2兆赫，從而限制了運放的速度，而本節介紹的單級共源共棚型CMOS運放克服了圖3.5-1運放單位增益帶寬不寬等缺點，提高了運放的速度，其簡化的形式如圖3.5-2所示。

為簡化起見，假設MOS器件的跨導為gm、輸出阻抗為ro、負載為理想的電流源。由圖3.5-1和圖3.5-2可分別求得二級放大器和單級共源共柵放大器的低頻極點P1和高頻極點P2，其值列于表3.5-1。

由表3.5-1得。

通常圖3.5-2中的分布電容CT是負載電容CL的，因此單級共源共柵放大器的高頻極點P2要比二級放大器提高5~10倍。CMOS運放共源-共柵。顯然，用單級共源共柵放大器構成的運放其建立時間要比二級放大器構成的運放的建立時間來得短。圖3.5-3a~c分別為由單級共源共柵放大器構成的簡化運放原理圖、簡化圖和小信號交流等效電路，圖中的Rs和RL分別表示電流源有限的輸出阻抗。由圖C得電壓增益為

式中分別是NMOS、PMOS器件的跨導和輸出阻抗，Rs，RL是電流源的有限

Rn是從P溝器件的源極看進去的等效阻抗，其值為

如果負載的輸出阻抗比MOS管的輸出阻抗大得多，那么，單級共源共柵運放的最大增益為

由上式可見，其最大增益與二級運放的直流增益相同。

1、雙端輸出的共源共柵型運放的特點

圖3.5-3所示的運放與常用的兩級放大的運放相比，有以下的特點：

（1）由于采用單級共源共柵放大電路形式，因此電路具有很高的次極點頻率ω2，相應瞬態響應的建立時間TssT比較??；

（2）用負載電容兼作補償電容，從而簡單地解決了頻率補償問題，并使芯片面積減??；

（3）這種運放的偏置電路比常用的兩級運放要復雜。

2、雙端輸出的共源共柵型運放

為了使單級共源共柵型運放具有較高的增益，其輸出級的有源負載可用第二章第二節的高阻電流源。單級共源共柵型運放的實際電路如圖3.5-4所示，這是雙端輸入雙端輸出的電路形式。

圖中M1~M2為輸入級差分放大器，M4~M9組成了輸出級電路，其中M6、M7為電流源，M8、M9為共棚放大器；M10~M13構成了輸出級的有源負載；M14、M15構成共模負反饋電路，為了消除由于共模反饋電路（M14、M15）對電路工作點的影響，在M3的源極接入了M4、M5管，其參數與M14、M15相同。該電路的工作電流由偏置電路提供?，F對圖3.5-4電路的工作原理及設計方法作些簡要說明。在靜態條下，M1與M2、M6與M7的工作電流相同，M6，M7的一部分電流流入差分放大器M1、M2另一部分流入共柵電路M8、M9，為保證零輸入時，輸出端電壓也為零，有源負載M10~M13的工作電流應該與M5、M6的電流相同。當正向輸入信號作用于輸入端M1時，M1電流增加，M2電流減小，因流過M6、M7的電流保持不變，這樣，電流減小，M9電流增大，而有源負載是恒流源電路，其電流恒定，因此，在輸出端得到的電壓與電流和電流的差值成正比，其極性為正。當負向輸入信號作用于輸入端M1時，在輸出端得到的電壓為負極性，顯然，為了獲得較高的電壓增益，應提高輸入級跨導，加大輸出級M8，M9的輸出阻抗，并增大有源負載的輸出阻抗。CMOS運放共源-共柵。因電流源是串級的，為了獲得大的輸出幅度，電流源與偏置電路可采用第二章圖2.2-8的電路形式，現在簡要介紹共模負反饋電路M14、M15的作用，當輸出端共模電平增大時，M14、M15的導通電阻減小，流經M10，M12和M11、M13的電流增大，使輸出端電平同時下降。反之，使輸出端電平上升。因此，共模反饋可穩定工作點，而對輸出端的差模信號沒有影響。

3、雙端輸出的共源共柵運放的實際電路

包括偏置電路在內的共源共柵型運放的實際電路圖如圖3.5-5所示。

圖中M1~M3為輸入級差分放大器（相當于共源放大器），為了提高輸入級的增益和降低噪聲，輸入管的尺寸應設計得較大。M8、M9為共柵電路；M6，M7以及M10~M13分別構成電流源電路；M14，M15構成共模反饋電路。為獲得較高增益，輸出級電流源采用第二章第二節圖2.2-8的高阻抗、大輸出幅度的恒流源電路，n溝道高阻電流源及偏置電路由M10~M13和所構成；p溝道高阻電流源和偏置電路由所組成。圖中的為總的偏置電路。

從速度要求、功耗和芯片面積等方面考慮，經設計和計算機模擬，圖3.5-5電路中的各管的覺長比如表3.5-2所示，其主要參數列于表3.5-3.

4、單端輸出共源共柵型運放電路

在圖3.5-5的輸出電路作些相應的改動，即可得到單端輸出共源共柵型運放電路，具體電路如圖3.5-6所示。利用電流源電路，即可將雙端輸出轉換成單端輸出，該電路的主要參數及器件的寬長比分別列表3.5-4和表3.5-5.

圖3.5-5和圖3.5-6共源共柵型MOS運放，其輸入級采用n溝MOS差分放大器，若輸入級采用p溝MOS差分放大器，則其電路形式如圖3.5-7所示。

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