CMOS运放电路工作原理设计及沟道的宽长比计算

一、一般的CMOS运放电路

图3.4-1电路是PCM编码译码大规模集成电路[14]中的运放，电源电压为±7.5伏，最大输出幅度为±5伏，最大电容负载为50皮法（与电阻500欧姆串联）。其主要参数如表3.4-1所示。

图3.4-1电路由二级放大器组成。M1~M4构成有源负载的差分放大器，M6提供该放大器的工作电流。M5、M6构成共源放大电路，作为运放的输出级。M7为源极跟随器，以克服补偿电容的前馈效应，消除零点。M6提供给M7的工作电流。M10、M11组成的偏置电路，提供放大器的工作电流。电路中的MOS器件的阈值电压为±1.5伏，补偿电容皮法。

第二节我们讨论了CMOS运放的设计方法，这里我们将讨论图3.4-1电路的工作点设计，并介绍MOS器件沟道宽长比的计算方法。

1、CMOS管运放电路工作点的设计

电路中节点⑦的电位根据电路输出的正向电压最大幅度来确定，输出正向摆幅为5伏，管子的阈值电压为1.5伏，为保证放大器处于饱和区，节点⑦的电位取3.8伏，负向摆幅为-5伏，

同样理由，节点③、④定为-5伏左右。节点⑤的电位可根据电路正向共模电压范围来确定，为获得最大正向共模电压，M5漏极的电位取2伏左右。

由（3.3-15）式可知，运放最大的转换速率为

这里的Io为输入差分级的工作电流，即由M5电流源提供。Cc为补偿电容，该电路的补偿电容为10皮法。为了达到30伏/微秒的转换速，M5的电流应为300微安，现取350微安左右，是补偿电容Cc的充放电回路也通过M7，故M6的工作电流也取350微安。

为增大输出能力并且驱动大电容负载，输出级。的工作电流为。电流源电流的2倍，即700微安左右。M10、M11；偏置电流取86微安左右。

综上所述，电路中M10、M5、M6和M9的电流比设计为1：4：4：8，也即沟道的宽长比为

1：4：4：8。

2、各MOS管沟道的宽长比的计算

CMOS电路的版图尺寸设计时，最重要的是确定各MOS管沟道的宽长比。根据前面有关工作点的讨论，可以估算各有关MOS管的沟道宽长比的比例。

根据关系式

求得

因M10、M5、M6和M9的电流比为1：4：4：8，所以M5、M6、M8和M9的沟道宽长比为

根据第二节的讨论，为了减小电路的输入失调电压，M2、M4、M5与M8、M9的沟道宽长比之间应满足关系式

式中W5/L6、W8/L9已经确定了，只要确定W2/L2，那么W3/L3也就确定了。

M3，M4的静态工作电流，工作电压都已确定，只要利用电流与电压关系式，

就可确定M3、M4的沟道宽长比（W2/L2）、（W4/L4）。

根据M1、M2的静态工作点，求得W1/L1和W2/L2；这样，所有管子的沟道宽长比都定下来了，其设计值列于表3.4-2中。

以上计算都采用了近似的一级模型。为了获得正确设计值，再用MOS管的二级模型进行计算机模拟，对设计值进行修正。

在图3.4-1电路中，输出级工作于甲类状态，并且M6、M7的电流也较大，因此电路的总功耗较大。为了降低电路功耗，可采用图3.4-2的电路，其中输出级M8、M9工作在甲、乙类状态。

为了进一步降低电路的功耗，该电路还采用电容与电阻串联的方法（减少一级源极跟随器）来克服补偿电容的前馈作用。根据前面所讲的原理，这里的串联电阻阻值应等于第二放大级跨导的倒数。图中利用M10，M11漏源之间的等效电阻构成上述串联电阻。

图3.4-2电路的参数值见表3.4-3，该电路的电压增益值设计得较高，约为90分贝左右，而功耗却大大减小。

图3.4-3电路是结构简单、性能良好的CMOS运放。补偿电路没有采用零点消除，因此要求第二级跨导gm1，较大于第一级跨导gm1，现设计为gm1=（5~6）gm1，根据第一级的讨论，补偿电容Cc和负载电容CL的关系为

若CL=20皮法，gm1=5gm1，则Cc>4皮法。电路中取Cc为7皮法。

在电源电压VDD为5伏，VSS为-5伏的条件下，该电路的参数列于表3.4-4，而MOS器件沟道的宽长比列于表3.4-5。

图3.4-4电路是工作在低电压并具有较强输出能力的CMOS运放。输入级差分放大器由MN1、MN2、MN6、等MOS管构成，它是双端转换成单端输出的差分放大器，其输出用于驱动输出级电路MP7的栅极；MP7和MN7构成输出级电路，它是共源放大器，

MP7为共源放大管，其负载为MN7管；偏置电路由MP1和MN2构成。为增大输出级的驱动能力，增加了MP2~MP4和MN5等MOS管。在输入信号的作用下，当差分放大器输出端③

电压增大时，输出端⑨电压变负；与此同时，MP2电流减小，MP3、MP4电流增大，节点⑥电压上升，MN7电流增大，这样输出端为负电压时，流入MN7的电流增大，增强了负向输出能力。反之，节点③电压减小时，输出端③电压上升，与此同时，节点⑤电压下降，MN7管电流减小，由于输出的正间电流由MP7提供，这样MP7输出的电流大部分到输出负载，只有一小部分流过MN7，并且随着输出幅度的增大，流入MN7的电流也随之减小，这样，增大了正向输出能力。实际上，MN7管可看成是一只压控可变电阻，当输出电压为正时，电阻值增大；当输出电压为负时，电阻值减小，图中各管的宽长比列于表3.4-6。

该电路的开环增益大于1000；单位增益带宽为1兆赫。其静态时各节点的直流电压和各管的IDS电流分别列于表3.4-7和表3.4-8。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助