NMOS单级放大器及低阻抗电平位移原理图详解分析

从电路性能来说，单沟NMOS运放比CMOS运放差，因为它缺少互补器件，电路形式也较复杂。但是，由于NMOS电路的速度与集成度均比CMOS电路水平高，因此，在LSIMOS模拟集成电路中，它是很有吸引力的。特别是当MOS模拟电路中包含了电荷转换器件时，通常采用NMOS工艺来实现。实际上，首次出现的全MOS运放电路就是NMOS到的运放。NMOS运放与CMOS运放相比，它有下列不同之处：

（1）NMOS的单级共源放大或差分放大与CMOS电路相比，其增益较低。为了提高NMOS放大器的压增益，采用一些特殊电路，使电路结构较为复染。

（2）为了保证零输入零输出，NMOS运放一定要有电平位移电路。而CMOS运放的电平位移靠器件的互补性能来实现，没有专门的电平位移电路。从这一点来说，NMOS运放的电路结构比较复杂。

（3）为提高NMOS运放的输出性能，输出级电路采用特殊的电路形式，它比CMOS互补输出电路复杂。

（4）CMOS运放的直流电平配置比较简单，而NMOS运放的直流电平配置比较困难。因此在设计NMOS运放时，其工作点的设置是很重要的。

下面先对NMOS运放中的一些特殊电路作些说明，然后介绍两种不同类型的NMOS运放。

1、NMOS单级放大器

由第二章讨论可知，耗尽型负载的NMOS放大器，其电压增益比增强型负载时有所提高。但即使这样，耗尽型负载的NMOS放大器，其电压增益仍比CMOS放大器低。在大多数情况下，它的增益值约为30~100。从电路设计的角度来说，可以采用附加的注入电流、提高放大管跨导的方法来提高耗尽型负载NMOS放大器的电压增益。

这种方案的电路原理图如图3.10-1a所示，图中的M1、M2构成共源-共栅的串接放大器，M2是有源负载，M1的部分漏电流由电流源 I  注入，这样，流过M1的电流增加，其跨导增大。当M1跨导提高的同时，并没有增加M2、M3的电流，此时M2、M3，仍工作在饱和区，其等效输出电阻保持不变。因此，M1跨导增加的倍数决定了放大器的电压增益所增加的倍数。

3.10-1b中是一个具体的电路结构，其中以GS短接的耗尽型NMOS管M4代替电流源 I  ，由于M1、M2的电流不相同，跨导值也不相同，这时电路的电压增益为A=-gau

式中SR为M1、M2的宽长比之比分别为M1、M2的漏极电流。与第二章（2.4-10）式相比，增益提高的倍数为。在E/DNMOS运放中，共源放大电路通常采用图3.10-1b的电路结构以提高运放增益。

2、电平位移电路

（1）高阻抗电平位移电路

图3.10-2是高阻抗电平位移电路，在实现电平位移的同时，也实现了双端一单端的转换。NMOS单级放大器。其M1、M2为源极跟随器，M3、M4为电流源电路。这种电平位移电路的输入端和输出端的阻抗均很高。根据等效电路可求得差分增益小于1。

运放电路设计时，为了保证有足够的电压增益，它必须包含有两个增益级。当在两个增益级之间插入一级上述的电平位移级时，由于电平位移级的输出和输入端都是高阻抗特性，因而，这种结构的运放电路必定包含有三个高阻抗节点。即电平位移级的输入、输出节点以及第二增益级的输出节点。电路中高阻抗节点数越多，其极点数越多，电路的相位补偿将变得更困难。此时电路的相位余量减小，闭环后可能出现振铃或高频振荡，这是高阻抗电平位移电路的一个缺点。

（2）低阻抗电平位移电路

低阻抗电平位移级的特性犹如一个电压源，它相当于图3.10-3中的电池V。图中M3、M4为电流源电路，实现双端-单端的转换。这时输入级的输出端相当于低阻抗节点。从运放整体电路来说，这种电平位移电路便于实现相位补偿。这里的关键是要产生一个浮动的电压源，它们能跟踪电源电压以及器件参数的离散变化，以保证前级电路有较大的正向共模输入电压范围和较好的电源电压抑制特性，可实现上述方案的最简单的电平位移电路是一个连接成二极管形式的MOS管，如图3.10-4a所示。NMOS单级放大器。但是，它的特性很不理想，为了保证MOS管两端有足够大的电压降，必须把它的宽长比设计得很小，因此，它的输出电阻很大，其特性曲线如图3.10-4b所示。

为了能得到低阻抗的浮动电压源，可以采用如图3.10-5a所示的并联反馈电路。在该电路中，当电压V超过电压时，M2导通。这里为

图中Io是恒流源，它决定了M1的。由MOS管的电流一电压关系式可知，为

因此

将

代入M2的电流关系式中，可得

将（3.10-2）式代人上式，则有

上式表明，图3.10-5a中的电路特性相当于一个等效的二极管连接的MOS管，只是它的阈值电压是它由（3.10-4）式决定。显然，该电路的输出电导为

即它的输出电导是等效MOS管的跨导，由于该电路的输出电压V是M1、M2的GS电压之和，它不要求很大，因而M2的宽长比可以设计得较大，即它的跨导较大，故其等效输出电阻很小，该等效MOS二极管的V-I曲线的斜率较陡，如图3.10-5b所示，该电路中M1的跨导设计得很小，以获得较大的。

【例】3.10-5a图中的参数为

伏，而Io=20微安，利用（3.10-4）式得

当V=9伏时，由（3.10-6）式得输出阻抗为

3、输出级电路

在NMOS电路中，低输出阻抗的输出级常采用并联负反馈形式的电路，如图3.10-6所示。这种电路的输出阻抗低，同时具有很好的须率特性，因此，在运放中收应用中不会严重影响其相位余量。NMOS单级放大器。实际上该电路可看成图3.10-7的结构。其中第一级是跨导放大器，第二级是跨阻放大器，故电路的总增益Av为

在图3.10-6中，跨导放大器由M1形成，跨阻放大器由M2~M4的负反馈放大器组成。

根据等效电路，在忽略电路的衬底效应情况下，其电压增益Av为

而电路的输出电阻为

该电路的正向电压摆幅可达到，而负向电压摆幅略小些。

图3.10-8所示的输出级电路是图3.10-6电路的改进形式，它保持了输出阻抗低的优点，并从甲类放大变为甲、乙类推挽放大，使输出能力增强，其电路的电压增益近似为1。

该电路的管子参数可这样选取，M1和M2、M3和M4取相同的宽长比，例如取

这样，在静态条件下，，从而使入电压Vi等于输出电压Vo。当Vi为正向电压时，M6管电图3.10-8对应于图3.10-6流增大，与此同时，M4管因电流增大，使其漏极电压下降，即电路的改进形式M3管的栅极电位下降，M3管电流减小，从而使输出电流增大，在输出端的负载上得到正向电压；当Vi为负向电压时，M6管电流减小，M5管电流增大，在输出端的负载电阻上得到负向电压。因此图3.10-8电路是甲、乙类推挽式输出级电路。

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