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MOS管(場(chǎng)效應(yīng)管)基本電路
1. 電流鏡
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電流鏡的作用是無(wú)論外輸入電壓遇到波動(dòng)還是大范圍變化，電流鏡的輸出電流總保持不變。Q1和Q2均工作在飽和區(qū)，且具有相等的柵源電壓的相同晶體管傳輸相同電流，即 Iin=Iout。
理想電流鏡的特征是VGS一樣，VDS可以不一樣(必須> VGS- VTH)，零輸入阻抗，高輸出阻抗。
(a)線性電流鏡：若調(diào)整MOS參數(shù)，可按比例復(fù)制輸出電流：(忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制)
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(b)共源共柵電壓源：為了抑制溝道長(zhǎng)度調(diào)制，采用該結(jié)構(gòu)可是底部晶體管免受Vp影響。
注意：PMOS和NMOS對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)隨它們的跨導(dǎo)正比例增加，因此出現(xiàn)噪聲和輸出擺幅之間的折中關(guān)系。
(c)級(jí)聯(lián)電流鏡：該結(jié)構(gòu)會(huì)提高輸出電阻，減小了M2漏極電壓的變化，從而減小了輸出電流隨Vp的變化。但是為保證M3,M2處于飽和區(qū)，Vp的工作電壓較大，從而使得與該結(jié)構(gòu)相連的放大器輸出電壓擺幅下降。該結(jié)構(gòu)在單級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)低頻大增益的時(shí)候是很有用的。
2. 帶有源負(fù)載的共源放大器(較為常用)
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(a)電流鏡作負(fù)載的共源極電路：在該電路中，電流鏡作為有源負(fù)載，充分利用非線性，大信號(hào)晶體管電流和電壓關(guān)系，提供偏置電流，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)高阻抗輸出，從而在沒有大直流電壓降的情況下實(shí)現(xiàn)更大的電壓增益。
(b)MOS二極管連接做負(fù)載的共源極電路：M2共源極接入，漏極和柵極短接，MOS管相當(dāng)于二極管具有鉗位作用，作為M1的有源負(fù)載，最終增益是
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(c)電流源做負(fù)載的共源極電路
3. 帶有源負(fù)載的共漏放大器(源極跟隨器)
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(a)帶電流鏡的共漏放大器：在該電路中，Q1按共漏極接入，Q2,Q3為其提供偏置電流;該電路電壓增益<1，但可以產(chǎn)生電流增益;當(dāng)Vin>VTH時(shí)，經(jīng)常被用來做電壓緩沖器。
(b)帶電流源的共漏放大器：
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4. 帶電流鏡的共柵極放大器
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可以提供電壓增益，當(dāng)放大器有一個(gè)大的小信號(hào)負(fù)載電阻時(shí)，輸入電阻會(huì)變得很大。
5. 級(jí)聯(lián)增益放大電路
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(a)共源共柵級(jí)放大電路(伸縮級(jí)聯(lián))：Q2共柵極，Q1共源極接入，前者減小了后者的Vds的變化;輸出阻抗較大，單級(jí)增益較大;同時(shí)限制了通過輸入驅(qū)動(dòng)晶體管的電壓，減小了短通道效應(yīng)，即可以處理更高的輸出電壓;
但是缺點(diǎn)是為了保持器件處于有源狀態(tài)，即要保持Q2源極和漏極間的電壓(Vb>Vin+VGS2-VTH1，同時(shí)滿足Vout>Vin-VTH1+VGS2-VTH2)，輸出電壓被限制在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)。兩個(gè)晶體管共享同一電流，功耗較小。
(b)共源共柵級(jí)放大電路(折疊級(jí)聯(lián))：可提供更大的輸出電壓波動(dòng)，總偏置電流較大，功耗較大。
6. MOS差分對(duì)電路
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(a)理想差分電路中，共模響應(yīng)應(yīng)為0，(取決于尾電流源的輸出電阻和電路的不對(duì)稱性)，放大差模信號(hào)。共模抑制比(CMRR)即為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)之比。
(b)采用NMOS提供尾電流Ibias。Vin,CM增加，M3導(dǎo)通，處于線性區(qū)，漏極電流持續(xù)變化;
Vin,CM足夠大時(shí)，滿足Vin,CM>=VGS1+VGS3-VTH3，M3進(jìn)入飽和區(qū)，兩條支路電流分別為Ibias/2，此時(shí)該電路正常工作狀態(tài)，此時(shí)若要保證M1,M2都處于飽和區(qū)，每條之路的輸入范圍為：
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8. 邏輯門電路
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反相器 與非門(兩輸入) 或非門(兩輸入) 傳輸門
一級(jí)運(yùn)放
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(a)套筒式共源共柵運(yùn)放電壓增益較大，為
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輸出擺幅相對(duì)較小，為
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設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要確定輸入共模電平，PMOS,NMOS共源共柵管的柵極偏置電壓。共源共柵器件產(chǎn)生的噪聲可以忽略。
(b)折疊式共源共柵運(yùn)放
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相較于套筒式，電壓擺幅大，輸入輸出可短接(提供差動(dòng)負(fù)反饋)，輸入共模范圍大，共模電平可接近VDD(NMOS)或GND(PMOS)，但是增益小2~3倍，功耗較大，極點(diǎn)頻率較低，噪聲較大。
因此設(shè)計(jì)時(shí)，只需嚴(yán)格確定PMOS,NMOS共源共柵管的柵極偏置電壓。雖然該器件產(chǎn)生的噪聲比套筒式的更大，但仍然可以忽略。
2. 兩級(jí)運(yùn)放
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兩種經(jīng)典的二級(jí)運(yùn)放圖。多級(jí)運(yùn)放的輸出阻抗較大，因此驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，輸出擺幅也較大;且噪聲主要由第一級(jí)決定，因?yàn)榈诙?jí)以后的噪聲在參照主要輸入時(shí)，要除以前級(jí)的增益。
(a)第一個(gè)放大電路尾電流源M7,M8是二級(jí)放大的負(fù)載，兩管的長(zhǎng)度主要考慮的是運(yùn)放的增益，是若要運(yùn)放的增益較大，可適當(dāng)增加兩管的溝道長(zhǎng)度，提升本征增益;其次是若較長(zhǎng)的長(zhǎng)度會(huì)減小1/f噪聲。兩管的寬度考量點(diǎn)有兩處，一是晶體管長(zhǎng)度，若寬長(zhǎng)比過小，會(huì)過大，從而使運(yùn)放輸出擺幅變小;二是寄生電容，若寬度過大，會(huì)在mos管輸出端引入較大的寄生電容，降低次極點(diǎn)的頻率，從而降低運(yùn)放的增益帶寬積，同時(shí)也會(huì)降低相位裕度，不過如果有零極點(diǎn)補(bǔ)償，可減小寄生電容的影響。
M3，M4作為一級(jí)放大的負(fù)載的參數(shù)設(shè)置和M7,M8類似，額外需要考慮的一點(diǎn)是通常M3,M4的柵極接入共模負(fù)反饋的輸出，若尺寸過大，會(huì)帶來較大的寄生電容，從而影響共模反饋部分的頻率響應(yīng)(減小相位裕量)，降低其穩(wěn)定性。
M5,M6是二級(jí)放大電路，其尺寸會(huì)極大的影響整個(gè)電路的環(huán)路帶寬，由于M7,M8的作用，流過M5,M6的電流是恒定值，從而使得放大mos管的尺寸變化較大地影響第二級(jí)的放大增益，若尺寸過大會(huì)導(dǎo)致密勒補(bǔ)償使主極點(diǎn)頻率降得非常低，增益帶寬積就會(huì)減小;同時(shí)若溝道長(zhǎng)度設(shè)置太小，低頻增益會(huì)降低，增益帶寬積又會(huì)變得特別大，因此該兩管尺寸設(shè)置需折中考慮。
(b)第二個(gè)電路一級(jí)放大采用套筒式結(jié)構(gòu)，XY兩點(diǎn)上方PMOS電流源采用共源共柵結(jié)構(gòu)，二級(jí)采用共源級(jí)放大電路。
3. 共模反饋(CMFB)
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電路的失配使電路產(chǎn)生共模誤差，進(jìn)而影響晶體管的工作狀態(tài)(脫離飽和區(qū))，CMFB可以檢測(cè)出共模電平，并將其與同一個(gè)參考電壓Vcm(通常為電源電壓的一半)進(jìn)行比較，將誤差送回放大器偏置網(wǎng)絡(luò)。MC2,MC3是一對(duì)輸入差分對(duì)，一般情況下為了使增益較大，會(huì)將其尺寸設(shè)大，但是過大會(huì)降低CMFB相位裕量。MC4,MC5采用二極管有源負(fù)載形式，使整個(gè)誤差放大器的增益被限定在一個(gè)較小值內(nèi)，提高環(huán)路穩(wěn)定性。
4. 穩(wěn)定性分析
1. 反饋系統(tǒng)中存在潛在不穩(wěn)定性
單極點(diǎn)系統(tǒng)是穩(wěn)定的
雙極點(diǎn)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是相位裕度不大
三極點(diǎn)(及以上)系統(tǒng)是不穩(wěn)定，需要相位補(bǔ)償。相位裕度達(dá)到60°，可以兼顧穩(wěn)定性和瞬態(tài)反應(yīng)速度
2. 兩級(jí)運(yùn)放的米勒補(bǔ)償
一般情況下，要使某一個(gè)頻率點(diǎn)的幅值增加就要在該點(diǎn)補(bǔ)極點(diǎn)，若要減小，則在該頻率點(diǎn)補(bǔ)零點(diǎn)。
增加密勒電容，以一個(gè)中等電容(1pF左右)建立一個(gè)低頻極點(diǎn)，形成極點(diǎn)分裂效應(yīng)
事實(shí)上由于密勒補(bǔ)償?shù)淖饔?，放大電路中的有源?fù)載的尺寸變化并不會(huì)對(duì)運(yùn)放的頻率響應(yīng)造成太大的影響。
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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