MOS管(場效應(yīng)管)基本電路

1. 電流鏡

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電流鏡的作用是無論外輸入電壓遇到波動還是大范圍變化，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：(忽略溝道長度調(diào)制)

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(b)共源共柵電壓源：為了抑制溝道長度調(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對噪聲的貢獻隨它們的跨導(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)級聯(lián)電流鏡：該結(jié)構(gòu)會提高輸出電阻，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)在單級放大器實現(xiàn)低頻大增益的時候是很有用的。

2. 帶有源負載的共源放大器(較為常用)

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(a)電流鏡作負載的共源極電路：在該電路中，電流鏡作為有源負載，充分利用非線性，大信號晶體管電流和電壓關(guān)系，提供偏置電流，實現(xiàn)小信號高阻抗輸出，從而在沒有大直流電壓降的情況下實現(xiàn)更大的電壓增益。

(b)MOS二極管連接做負載的共源極電路：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的有源負載，最終增益是

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(c)電流源做負載的共源極電路

3. 帶有源負載的共漏放大器(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，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)放大器有一個大的小信號負載電阻時，輸入電阻會變得很大。

5. 級聯(lián)增益放大電路

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(a)共源共柵級放大電路(伸縮級聯(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，單級增益較大;同時限制了通過輸入驅(qū)動晶體管的電壓，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，同時滿足Vout>Vin-VTH1+VGS2-VTH2)，輸出電壓被限制在一個很窄的范圍內(nèi)。兩個晶體管共享同一電流，功耗較小。

(b)共源共柵級放大電路(折疊級聯(lián))：可提供更大的輸出電壓波動，總偏置電流較大，功耗較大。

6. MOS差分對電路

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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稱性)，放大差模信號。共模抑制比(CMRR)即為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)與對共模信號的電壓放大倍數(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，滿足Vin,CM>=VGS1+VGS3-VTH3，M3進入飽和區(qū)，兩條支路電流分別為Ibias/2，此時該電路正常工作狀態(tài)，此時若要保證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

運算放大器電路

一級運放

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(a)套筒式共源共柵運放電壓增益較大，為

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輸出擺幅相對較小，為

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設(shè)計時，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(提供差動負反饋)，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，極點頻率較低，噪聲較大。

因此設(shè)計時，只需嚴格確定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. 兩級運放

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兩種經(jīng)典的二級運放圖。多級運放的輸出阻抗較大，因此驅(qū)動能力較強，輸出擺幅也較大;且噪聲主要由第一級決定，因為第二級以后的噪聲在參照主要輸入時，要除以前級的增益。

(a)第一個放大電路尾電流源M7,M8是二級放大的負載，兩管的長度主要考慮的是運放的增益，是若要運放的增益較大，可適當(dāng)增加兩管的溝道長度，提升本征增益;其次是若較長的長度會減小1/f噪聲。兩管的寬度考量點有兩處，一是晶體管長度，若寬長比過小，會過大，從而使運放輸出擺幅變小;二是寄生電容，若寬度過大，會在mos管輸出端引入較大的寄生電容，降低次極點的頻率，從而降低運放的增益帶寬積，同時也會降低相位裕度，不過如果有零極點補償，可減小寄生電容的影響。

M3，M4作為一級放大的負載的參數(shù)設(shè)置和M7,M8類似，額外需要考慮的一點是通常M3,M4的柵極接入共模負反饋的輸出，若尺寸過大，會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是二級放大電路，其尺寸會極大的影響整個電路的環(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的放大增益，若尺寸過大會導(dǎo)致密勒補償使主極點頻率降得非常低，增益帶寬積就會減小;同時若溝道長度設(shè)置太小，低頻增益會降低，增益帶寬積又會變得特別大，因此該兩管尺寸設(shè)置需折中考慮。

(b)第二個電路一級放大采用套筒式結(jié)構(gòu)，XY兩點上方PMOS電流源采用共源共柵結(jié)構(gòu)，二級采用共源級放大電路。

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，進而影響晶體管的工作狀態(tài)(脫離飽和區(qū))，CMFB可以檢測出共模電平，并將其與同一個參考電壓Vcm(通常為電源電壓的一半)進行比較，將誤差送回放大器偏置網(wǎng)絡(luò)。MC2,MC3是一對輸入差分對，一般情況下為了使增益較大，會將其尺寸設(shè)大，但是過大會降低CMFB相位裕量。MC4,MC5采用二極管有源負載形式，使整個誤差放大器的增益被限定在一個較小值內(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

單極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的

雙極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是相位裕度不大

三極點(及以上)系統(tǒng)是不穩(wěn)定，需要相位補償。相位裕度達到60°，可以兼顧穩(wěn)定性和瞬態(tài)反應(yīng)速度

2. 兩級運放的米勒補償

一般情況下，要使某一個頻率點的幅值增加就要在該點補極點，若要減小，則在該頻率點補零點。

增加密勒電容，以一個中等電容(1pF左右)建立一個低頻極點，形成極點分裂效應(yīng)

事實上由于密勒補償?shù)淖饔?，放大電路中的有源負載的尺寸變化并不會對運放的頻率響應(yīng)造成太大的影響。

審核編輯：湯梓紅