NMOS單級放大器及低阻抗電平位移原理圖詳解分析

從電路性能來說，單溝NMOS運放比CMOS運放差，因為它缺少互補器件，電路形式也較復雜。但是，由于NMOS電路的速度與集成度均比CMOS電路水平高，因此，在LSIMOS模擬集成電路中，它是很有吸引力的。特別是當MOS模擬電路中包含了電荷轉換器件時，通常采用NMOS工藝來實現。實際上，首次出現的全MOS運放電路就是NMOS到的運放。NMOS運放與CMOS運放相比，它有下列不同之處：

（1）NMOS的單級共源放大或差分放大與CMOS電路相比，其增益較低。為了提高NMOS放大器的壓增益，采用一些特殊電路，使電路結構較為復染。

（2）為了保證零輸入零輸出，NMOS運放一定要有電平位移電路。而CMOS運放的電平位移靠器件的互補性能來實現，沒有專門的電平位移電路。從這一點來說，NMOS運放的電路結構比較復雜。

（3）為提高NMOS運放的輸出性能，輸出級電路采用特殊的電路形式，它比CMOS互補輸出電路復雜。

（4）CMOS運放的直流電平配置比較簡單，而NMOS運放的直流電平配置比較困難。因此在設計NMOS運放時，其工作點的設置是很重要的。

下面先對NMOS運放中的一些特殊電路作些說明，然后介紹兩種不同類型的NMOS運放。

1、NMOS單級放大器

由第二章討論可知，耗盡型負載的NMOS放大器，其電壓增益比增強型負載時有所提高。但即使這樣，耗盡型負載的NMOS放大器，其電壓增益仍比CMOS放大器低。在大多數情況下，它的增益值約為30~100。從電路設計的角度來說，可以采用附加的注入電流、提高放大管跨導的方法來提高耗盡型負載NMOS放大器的電壓增益。

這種方案的電路原理圖如圖3.10-1a所示，圖中的M1、M2構成共源-共柵的串接放大器，M2是有源負載，M1的部分漏電流由電流源 I  注入，這樣，流過M1的電流增加，其跨導增大。當M1跨導提高的同時，并沒有增加M2、M3的電流，此時M2、M3，仍工作在飽和區，其等效輸出電阻保持不變。因此，M1跨導增加的倍數決定了放大器的電壓增益所增加的倍數。

3.10-1b中是一個具體的電路結構，其中以GS短接的耗盡型NMOS管M4代替電流源 I  ，由于M1、M2的電流不相同，跨導值也不相同，這時電路的電壓增益為A=-gau

式中SR為M1、M2的寬長比之比分別為M1、M2的漏極電流。與第二章（2.4-10）式相比，增益提高的倍數為。在E/DNMOS運放中，共源放大電路通常采用圖3.10-1b的電路結構以提高運放增益。

2、電平位移電路

（1）高阻抗電平位移電路

圖3.10-2是高阻抗電平位移電路，在實現電平位移的同時，也實現了雙端一單端的轉換。NMOS單級放大器。其M1、M2為源極跟隨器，M3、M4為電流源電路。這種電平位移電路的輸入端和輸出端的阻抗均很高。根據等效電路可求得差分增益小于1。

運放電路設計時，為了保證有足夠的電壓增益，它必須包含有兩個增益級。當在兩個增益級之間插入一級上述的電平位移級時，由于電平位移級的輸出和輸入端都是高阻抗特性，因而，這種結構的運放電路必定包含有三個高阻抗節點。即電平位移級的輸入、輸出節點以及第二增益級的輸出節點。電路中高阻抗節點數越多，其極點數越多，電路的相位補償將變得更困難。此時電路的相位余量減小，閉環后可能出現振鈴或高頻振蕩，這是高阻抗電平位移電路的一個缺點。

（2）低阻抗電平位移電路

低阻抗電平位移級的特性猶如一個電壓源，它相當于圖3.10-3中的電池V。圖中M3、M4為電流源電路，實現雙端-單端的轉換。這時輸入級的輸出端相當于低阻抗節點。從運放整體電路來說，這種電平位移電路便于實現相位補償。這里的關鍵是要產生一個浮動的電壓源，它們能跟蹤電源電壓以及器件參數的離散變化，以保證前級電路有較大的正向共模輸入電壓范圍和較好的電源電壓抑制特性，可實現上述方案的最簡單的電平位移電路是一個連接成二極管形式的MOS管，如圖3.10-4a所示。NMOS單級放大器。但是，它的特性很不理想，為了保證MOS管兩端有足夠大的電壓降，必須把它的寬長比設計得很小，因此，它的輸出電阻很大，其特性曲線如圖3.10-4b所示。

為了能得到低阻抗的浮動電壓源，可以采用如圖3.10-5a所示的并聯反饋電路。在該電路中，當電壓V超過電壓時，M2導通。這里為

圖中Io是恒流源，它決定了M1的。由MOS管的電流一電壓關系式可知，為

因此

將

代入M2的電流關系式中，可得

將（3.10-2）式代人上式，則有

上式表明，圖3.10-5a中的電路特性相當于一個等效的二極管連接的MOS管，只是它的閾值電壓是它由（3.10-4）式決定。顯然，該電路的輸出電導為

即它的輸出電導是等效MOS管的跨導，由于該電路的輸出電壓V是M1、M2的GS電壓之和，它不要求很大，因而M2的寬長比可以設計得較大，即它的跨導較大，故其等效輸出電阻很小，該等效MOS二極管的V-I曲線的斜率較陡，如圖3.10-5b所示，該電路中M1的跨導設計得很小，以獲得較大的。

【例】3.10-5a圖中的參數為

伏，而Io=20微安，利用（3.10-4）式得

當V=9伏時，由（3.10-6）式得輸出阻抗為

3、輸出級電路

在NMOS電路中，低輸出阻抗的輸出級常采用并聯負反饋形式的電路，如圖3.10-6所示。這種電路的輸出阻抗低，同時具有很好的須率特性，因此，在運放中收應用中不會嚴重影響其相位余量。NMOS單級放大器。實際上該電路可看成圖3.10-7的結構。其中第一級是跨導放大器，第二級是跨阻放大器，故電路的總增益Av為

在圖3.10-6中，跨導放大器由M1形成，跨阻放大器由M2~M4的負反饋放大器組成。

根據等效電路，在忽略電路的襯底效應情況下，其電壓增益Av為

而電路的輸出電阻為

該電路的正向電壓擺幅可達到，而負向電壓擺幅略小些。

圖3.10-8所示的輸出級電路是圖3.10-6電路的改進形式，它保持了輸出阻抗低的優點，并從甲類放大變為甲、乙類推挽放大，使輸出能力增強，其電路的電壓增益近似為1。

該電路的管子參數可這樣選取，M1和M2、M3和M4取相同的寬長比，例如取

這樣，在靜態條件下，，從而使入電壓Vi等于輸出電壓Vo。當Vi為正向電壓時，M6管電圖3.10-8對應于圖3.10-6流增大，與此同時，M4管因電流增大，使其漏極電壓下降，即電路的改進形式M3管的柵極電位下降，M3管電流減小，從而使輸出電流增大，在輸出端的負載上得到正向電壓；當Vi為負向電壓時，M6管電流減小，M5管電流增大，在輸出端的負載電阻上得到負向電壓。因此圖3.10-8電路是甲、乙類推挽式輸出級電路。

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