MOS管(場效應管)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，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：若調整MOS參數，可按比例復制輸出電流：(忽略溝道長度調制)

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(b)共源共柵電壓源：為了抑制溝道長度調制，采用該結構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正比例增加，因此出現噪聲和輸出擺幅之間的折中關系。

(c)級聯電流鏡：該結構會提高輸出電阻，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，Vp的工作電壓較大，從而使得與該結構相連的放大器輸出電壓擺幅下降。該結構在單級放大器實現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系，提供偏置電流，實現小信號高阻抗輸出，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，但可以產生電流增益;當Vin>VTH時，經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. 級聯增益放大電路

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(a)共源共柵級放大電路(伸縮級聯)：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動晶體管的電壓，減小了短通道效應，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，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。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)：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，共模響應應為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與對共模信號的電壓放大倍數之比。

(b)采用NMOS提供尾電流Ibias。Vin,CM增加，M3導通，處于線性區，漏極電流持續變化;

Vin,CM足夠大時，滿足Vin,CM>=VGS1+VGS3-VTH3，M3進入飽和區，兩條支路電流分別為Ibias/2，此時該電路正常工作狀態，此時若要保證M1,M2都處于飽和區，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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設計時，應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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兩種經典的二級運放圖。多級運放的輸出阻抗較大，因此驅動能力較強，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設置和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(減小相位裕量)，降低其穩定性。

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，因此該兩管尺寸設置需折中考慮。

(b)第二個電路一級放大采用套筒式結構，XY兩點上方PMOS電流源采用共源共柵結構，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生共模誤差，進而影響晶體管的工作狀態(脫離飽和區)，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絡。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，提高環路穩定性。

4. 穩定性分析

1. 反饋系統中存在潛在不穩定性

單極點系統是穩定的

雙極點系統是穩定的，但是相位裕度不大

三極點(及以上)系統是不穩定，需要相位補償。相位裕度達到60°，可以兼顧穩定性和瞬態反應速度

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

事實上由于密勒補償的作用，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造成太大的影響。

審核編輯：湯梓紅