前言

采用Class-AB輸出級設(shè)計的運放可在較低的靜態(tài)電流下實現(xiàn)軌對軌輸出，推挽的輸出方式使得其在大信號建立時的電流不受靜態(tài)電流的限制，可以實現(xiàn)更好的壓擺率。

然而，由于Class-AB的輸出PMOS和NMOS都受前級信號的控制，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出級只有PMOS或NMOS被前級輸入信號控制，其需要更為復(fù)雜的偏置或者說控制電路。

在之前筆者的文章中，認(rèn)為運放靜態(tài)工作點的設(shè)計幾乎等于電流鏡的設(shè)計，本文也將延續(xù)這一思路，對Class-AB輸出級靜態(tài)工作點的偏置設(shè)計進(jìn)行淺析，若有不足，歡迎指正。

電路淺析

圖1 Class-AB輸出級及其偏置

如圖1給出了常見的Class-AB輸出級及其偏置圖。本圖中我們暫時忽略運放前一級電路的影響，也就是不管前一級注入的電流，但這不影響本文的主要思路。

首先，我們分析輸出級PMOS-MP4和NMOS-MN4的靜態(tài)柵極電壓如何確定：如圖所示，NP4和MN4由MN3和MP3組成的浮動電流源進(jìn)行控制，在靜態(tài)情況下，MN3和MP3各流過該支路一半的電流，因此其柵源電壓是可確定的。

MN3柵極電壓由偏置電路確定，其柵極電壓減去柵源電壓即為其源極電壓，也就是MN4的柵極電壓，MP4的柵極電壓同理；

如果MN3和MN2互為電流鏡，即其采用相同的單位MOS管，并聯(lián)個數(shù)之比等于其靜態(tài)電流之比，那么在不考慮溝長調(diào)制和DIBL的情況下，他們的源極電壓相同，也就是MN1和MN4的柵極電壓相同，如果MN1和MN4也采用相同的單位MOS管，那么兩者的電流之比就等于其并聯(lián)MOS管個數(shù)之比，輸出級的靜態(tài)工作電流因此可被確定。采用相同的分析方法，MP1和MP4同理。

因此，MP1和MP4，MN1和MN4雖然柵極沒有連接在一起，但是他們在靜態(tài)工作時也近似互為電流鏡。

因此，圖1中相同顏色的MOS管互有電流鏡，在設(shè)計時采用相同的單位MOS管，根據(jù)對靜態(tài)電流的要求去調(diào)整并聯(lián)個數(shù)之比即可對輸出級和偏置電路進(jìn)行互相設(shè)計。

當(dāng)然，即使不這樣思考，也可以進(jìn)行電路設(shè)計，但是采用電流鏡的方式思考，偏置電路和輸出級可以更好地匹配，整個電路收到PVT的影響也會更小，版圖設(shè)計時也可將互有電流鏡的MOS畫在一起。畢竟，模擬電路設(shè)計最重要的一點不就是匹配？

上述分析都基于不考慮溝長調(diào)制和DIBL的情況下，實際情況下由于這兩種效應(yīng)的存在，MP1和MP4，MN1和MN4在這樣的設(shè)計方法下柵極電壓并不相等，但是這并不影響運放的性能，畢竟運放大部分情況都是閉環(huán)使用，而閉環(huán)運放負(fù)反饋的自我調(diào)節(jié)足夠克服這些額外的效應(yīng)，而工程師也不可能違背物理學(xué)的規(guī)律去做到絕對完美。