NMOS運放典型電路圖介紹（增強型-耗盡型）解析

1、全增強型NMOS運放

全增強型NMOS運放如圖3.10-9所示。

構成輸入級差分電路，其增益約5倍；和為電平位移電路，增益約0.95倍；組成串級放大和輸出級驅動電路，采用串級放大是為了減少M20柵極的密勒電容，以改善頻率響應，這一級的增益等于，約為11倍；構成輸出級電路，其形式如圖3.10-6所示，增益為6.6倍。綜上所述，該電路的總增益約345倍。M1、M2、M3和M15、M16，M17構成偏置電路，決定了電路的工作點。M13和組成相位補償電路。

要使電路正常工作，該電路的所有MOS器件均處在飽和區。為實現這一要求，各管子的寬長比應有如下關系（為簡單起見，管子的寬長比定為S）。

我們使，這樣，因此I1/2電流流過，關系為，因此，有，選取

得以及，因此工作在飽和區。

在M15、M16、M17分壓電路里，選取S16、S17，并使，要使工作在飽和區，應有。工作點VA、VB和VC如圖中所示，設計時，流過M1、M2和M3的電流為100微安，VA=8伏，VB=-11.5伏，Vc=-7伏，取MOS管的閾值電壓VT=2伏。圖中各MOS器件的寬長比如表3.10-1所示。

該電路的主要參數如表3.10-2所示。

2、增強-耗盡型NMOS運放

圖3.10-10是一個用于LSIMOS模擬集成電路中的NMOS運放，它采用標準的n溝硅柵增強-耗盡MOS工藝制成。該運放提供了較好的性能。NMOS運放典型電路圖。開環直流增益約為1000，共模抑制比約為75分貝。對于1千歐負載，輸出電壓有效值可達1伏（士5伏電源電壓時）。當電容負載為20皮法，輸出幅度為1伏時，1%精度的建立時間約2微秒。

該地路由輸入級、電平位移級（包括雙端-單端轉換電路）、第二增益級及輸出級組成。這里的輸出級是具有單位電壓增益的負反饋電路。因此從增益角度來說，該電路是由兩級增益級組成。這與通用型運放的情況相同。

（1）電路說明

電路的輸入級及電平位移級結構圖如圖310-11所示。它們構成一個跨導放大器。輸入級由M1~M7組成。M3、M4是耗盡型有源負載。NMOS運放典型電路圖。M6、M7為輸入級的偏置電路。M5、M6是電流源，它們的電流決定于M7、M8構成的偏置電路。該運放的輸入級采用雙端輸出形式，以他電路有較好的共模抑制性能。

此運放的電平位移級是低阻抗型的，其具體電路由圖3.10-10中構成。為使于討論，將這部分電路畫于圖3.10-12。圖中M11、M13及M12、M14分別組成并聯反饋的等

效二極管，M13、M14的漏源電壓就是電平位移所需要的電壓，即圖3.10-11中的電池電壓V，它們源極所接的M17、M18構成電流源電路，以實現第一級輸出電流的雙端一單端的轉換。M15、M16對管分別提供兩個等效二極管的電流，此電流相當于圖3.10-5a中的電流源Io，而M15，M16的電流是由M20偏置的。M19、M20的又是一個電流源電路，M19偏置M20的電流M10的電流由M10決定。M8、M9組成該級的總偏置電路。此電平位移級中的偏置電路結構復雜，其目的是使M11、M12的柵極電壓與Vo相等。NMOS運放典型電路圖。由圖3.10-12可以看到，V1、V2是輸入級差分對管M1、M2的漏極電壓。該電壓的大小直接決定了運放正向共模輸入電壓范圍。為了增加此共模電壓范圍，電壓V1、V2應盡量接近正電源電壓。在這里，M3、M4進入線性區的條件是

在圖3.10-10中（參看圖3.10-11和圖3.10-12），整個偏置電路的目的就是使 

以保證電路有最大的共模輸入電壓范圍，是用M8、M9來偏置的。由圖可知：，現在的問題是如何使V1、V2與V3相等。

在圖3.10-10電路設計時，使M10、M11、M12溝道的寬長比相等。而電流源M19、M20的寬長比設計值滿足：

因此，M20的電流為M19（即M10）電流的兩倍。M15、M16是對管，M15（M11）中的電流以及M10（M12）中的電流就與M10中電流相等。結果必然使M10、M11、M12有相同的VGS，M10、M11，M12溝道的寬長比都設計得小于1，而的寬長比都很大，所以，前者的柵源電壓比后者要大得多。因此，可近似認為M15、M16的漏極電壓與的漏極電壓相等。由此可見，V1、V2與V0近似相等。上述等效二極管的交流等效電阻在此處約為6千歐。

運放的第二增益級由M21~M24組成，這里用注入電流方法提高放大管M21的跨導，從而提高第二級的增益。其電路形式與圖3.10-1b中完全一樣。電路中電容C為頻率補償用。

運放的輸出級由組成，其電路形式與圖3.10-8相同。它工作在甲乙類狀態，其輸出級輸出電阻約為800歐姆。

該運放的頻率特性主要取決于第二級。密勒補償電容C確定了電路的主極點。它的設計值為8皮法。為了減小電容C的前饋影響，提高第二級的級增益，在電路設計中要盡最增加M21的跨導。在電路中，利用和電容C產生的零點來補償該電路的第二極點，以改善整個電路高頻時的幅頻特性和相位余量。

此運放電路各器件尺寸設計值及電流值見表3.10-3。其中，M3、M4溝道的寬度與長度值均較大，這是從減小運放的1/f噪聲來考慮的。表中E為增強型器件，D為耗盡型器件。電路制作采用NMOS硅柵工藝，電路主要參數值見表3.10-4。

前面討論的NMOS運放，其電壓增益較低，近年來，已研制出高性能、高增益NMOS運放，電壓增益達40000倍。

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