MOS运算放大器分类原理特点与应用

MOS运算放大器简称运放，它分NMOS运算放大器和CMOS运算放大器两大类：所谓 NMOS运算放大器是运放中的场效应管全由NMOS管所构成；CMOS运算放大器是运放中的场效应管由P沟，N沟MOS管共同构成。

MOS运算放大器的设计同双极型运放类似，主要从开环增益、输出摆幅、共模抑制比、频率特性，瞬态响应，失调电压及功耗等方面考虑，但MOS运算放大器有本身的特点，在某些方面不同于双极型运放，现说明如下：

（1）MOS运算放大器与双极型运放

MOS运算放大器与双极型运放相比，其最大优点是输入阻抗高（10¹⁰欧姆以上）、输入偏流板小（10^-13~10^-12安培）和功耗低且有较大电压增益，因此近几年来MOS运算放大器特别是CMOS运算放大器得到迅速发展，成为大规模模拟集成电路中不可缺少的基本部件。

（2）双极型运放

通常以单片集成电路的形式出现的，具有良好的电性能和通用性。而MOS运算放大器通常作为集成电路中的一个基本单元，如开关电容网络，A/D、D/A等MOS集成电路，因此在设计MOS运算放大器时，不强调MOS运算放大器的通用性，而是根据集成电路的总体性能来定出MOS运算放大器的基本参数，例如MOS运算放大器的开环增益、驱动能力等，MOS运算放大器作为MOS集成电路中的一个基本单元，它的负载是MOS管高阻抗器件及电容，因此设计MOS运放通常并不需要低的输出抗，而应有驱动电容负载的能力。另外随着MOS电路的规模扩大，数字电路和模拟电路集成在一起（如A/D、PCM编码译码器等），这时要考虑数字电路的开关噪声通过电源对MOS运算放大器模拟电路的影响，这就要求MOS运放具有较高的电源电压抑制比（PSRR）。电源电压的变化所引起运放输出电压的变化越小，则其电源电压抑制比能力越强。

（3）MOS等同双极型器件

MOS等同双极型器件相比，有较大的噪声，特别在低频端的1/f噪声，因此在设计MOS运算放大器时，应考虑如何减小运放的噪声。噪声主要来自输入级，而运放输入项由差分放大器构成，因此，降低输入差分放大器的噪声，便可降低运放噪声。

（4）MOS管的阈值电压

MOS管的阈值电压较大，因而有较大的失调电压，在设计、制造MOS运算放大器时，应降低MOS管的阈值电压，并从版图设计、工艺等方面下功夫，以获得低的失调电压。

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（5）MOS管跨导gm

MOS管跨导gm较低，并且跨导与工作电流ID的平方根成正比，这就使MOS运算放大器的频率补偿要比双极型来得复杂（下面将要详细讨论）。

MOS运算放大器的方据图如图3.0-1所示，图中高增益级通常是共源放大电路。补偿电路通常是一只频率补偿电容，接在高增益级的输入与输出之间，以实现运放的频率补偿。

CMOS运算放大器的常用电路形式如图3.0-2所示。它由二级放大器构成，第一级是由M1~M4构成的差分放大电路，第二级是与电流源Io2组成的共源放大器，此二级放大器提供的增益约1000~20000倍。电容Co为频率补偿电容。实际电路如图3.0-3所示。

MOS运算放大器

图中和构成偏置电路，提供参考电流IR，与偏置电路组成电流源电路，提供差分放大器的工作电流以及作为M5共源放大器的有源负载。它的交流小倍号等效电路如图3.0-4所示。

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其中R1与C1分别为第二增益级输入端的等效电阻与分布电容，R1值为差分输出端M2、M4的输出阻抗的并联，即分别为第二增益级输出端的电阻与电容，R2值为输出放大器M5、M6的输出阻抗的并联，即，电容CL主要是输出端的负载电容。

分别为放大器第一级与第二级的等效跨导，显然，该电路的直流电压增益为

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图3.0-5表示一般NMOS运算放大器的电路结构，它通常由输入差分放大器、电平位移电路和输出级共源放大器等三部分构成。由于NMOS运算放大器全由NMOS管构成，级与级之间的电平配置比较困难，电路结构复杂，为获得较高增益，需三级以上放大器构成，这样给频率补偿带来困难，因此，NMOS运算放大器与CMOS运算放大器相比，缺点是明显的。但是，由于NMOS电路的速度与集成度均比CMOS电路来得高，因此，在大规模MOS模拟集成电路中，有时也采用NMOS运算放大器。事实上，首次出现的全MOS运算放大器电路是NMOS运算放大器。

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