【文章內容簡介】 置則提供了相關節(jié)點與地之間的靜態(tài)工作電壓 。 各偏置的作用是使 MOS晶體管及其電路處于正常的工作狀態(tài) 。 在通常情況下 ， 大部分的 MOS模擬集成電路中的 MOS晶體管 ， 不論是工作管 ， 還是負載管都工作在飽和區(qū) 。 （ 1） 電流偏置電路 在模擬集成電路中 ， 電流偏置電路的基本形式是電流鏡 。所謂的電流鏡是由兩個 或多個并聯的相關電流 支路組成 ， 各支路的電 流依據一定的器件比例 關系而成比例 。 1) NMOS基本電流鏡 NMOS基本電流鏡 由兩個 NMOS晶體管組 成 ， 如右圖所示 。 NMOS基本電流鏡 2) NMOS威爾遜電流鏡 NMOS基本電流鏡因為溝道長度調制效應的作用 ， 交流輸出電阻變小 。 從電路理論可知 ， 采用串聯電流負反饋也可以提高電路的輸出電阻 。 威爾遜電流鏡正是 這樣的結構 。 NMOS威爾遜電流 鏡的電路如右圖所示 。 提高輸出電阻的基本 原理是在 M1的源極接 有 M2而形成的串聯電 流負反饋 。 NMOS威爾遜電流鏡 NMOS電流鏡所能提供的電流偏置通常情況下是灌電流 ，即電流是流入漏極的情況 。 如果需要的是拉電流 ， 則可采用PMOS電流鏡 。 3) PMOS電流鏡 PMOS電流鏡的結構與工作原理與 NMOS結構相同 。 下圖給出了 PMOS的基本電流鏡 (a) 、 威爾遜電流鏡 (b)和改進型的威爾遜電流鏡 (c) 。 PMOS電流鏡 4) 參考支路電流 Ir 形成參考支路的電流的基本原理很簡單 ， 只要能夠形成對電源 (NMOS電流鏡 )或對 (PMOS電流鏡 )的通路即可 。 (a)簡單的電阻負載參考支路 (b)有源負載的參考支路 (c)自給基準電流的結構 如果在電流鏡中的 參考電流就是一個恒流 (如右圖所示 ) 那么 ， 整個電路中的相關支路 電流就獲得了穩(wěn)定不變 的基礎 。 右圖給出了一種自給基準電流的結構形式 。 MM M3組成了一個兩輸出支路的NMOS電流鏡 ， MM5和 M6組成了兩輸出支路的 PMOS電流鏡 。 M M8和 R所構成的 “ 啟動 ”電路 。 圖 6315 電壓偏置電路 前面雖然尚未介紹電壓偏置電路 ， 但實際上在上一段已經用到了電壓偏置 ， 例如 ， 電流鏡中 VGS1和有源負載的偏置電壓 VB。 在這一部分將重點介紹各種電壓偏置電路的設計 。 在模擬集成電路中的電壓偏置分為兩種類型：通用電壓偏置電路和基準電壓電路 。 通用電壓偏置電路用于對電路中一些精度要求較低的電路節(jié)點施以電壓控制；基準電壓電路則是作為電壓參考點對電路的某些節(jié)點施以控制 。 （ 1） 通用電壓源 通用電壓源是一些簡單的電路 ， 它按電路要求產生直流電壓 ， 并控制相關器件的工作狀態(tài) ， 一般沒有特殊要求 。 最簡單的電壓源是分壓電路 ， 它的輸出既可以是單點的 ， 也可以是多點的 。 在電子線路中常采用電阻分壓電路作為電壓偏置的發(fā)生電路 ， 在模擬集成電路中則常采用有源電阻作為分壓電路的基本單元 。 圖 6315給出了全 NMOS的分壓器電路圖 (a)和 CMOS的分壓器電路圖 (b)。 圖 (a)， V1=VGS1， V2=VGS1+VGS2；圖 (b)是一個 CMOS的分壓器結構 ， 它的分壓原理與 NMOS并沒有什么區(qū)別 ， 它的 Vo也可以用上式計算 。 圖 6315 上面簡單的分壓電路有一個共同的缺點 ， 那就是它們的輸出電壓值隨著電源電壓的變化將發(fā)生變化 。究其原因是因為電漏電壓的波動直接轉變?yōu)?MOS晶體管的 VGS的變化 。 如果電源電壓的波動能夠被某個器件 “ 消化 ” 掉 ， 而不對擔當電壓輸出的 VGS產生影響就可以使輸出電壓不受電源電壓波動的影響 。 要使 VGS不發(fā)生變化 ， 對于柵漏短接的 MOS管必須滿足兩個條件：一是 VGS不能被直接作用 ， 二是 MOS晶體管的電流不能發(fā)生變化 。 二 、 放大電路 放大器是模擬集成電路的基本信號放大單元 。在模擬集成電路中的放大電路有多種形式 ， 其基本構成包括放大器件 (有時又稱為工作管 )和負載器件 。放大電路的設計主要有兩個內容：電路的結構設計和器件的尺寸設計 。 電路的結構設計是根據功能和性能要求 ， 利用基本的積木單元適當地連接和組合來構造電路 ， 通過器件的設計實現所需的性能參數 。這個過程可能要經過多次反復 ， 不斷地修正電路結構和器件參數 ， 最后獲得符合要求的電路單元 。 單級倒相放大器 倒相放大器的基本結構通常是漏輸出的 MOS工作管和負載的串聯結構 。 （ 1） 基本放大電路 下圖給出了 6種常用的 MOS倒相放大器電路結構 。其基本工作管上是 NMOS晶體管 ， 各放大器之間的不同主要表現在負載的不同上 ， 也正是因為負載的不同 ， 導致了其輸出特性上的很大區(qū)別 。 圖中的輸入信號 VIN中包含了直流偏置和交流小信號 。 圖 6320 基本放大器 ?電阻負載 NMOS放大器 電壓增益 AV為： 式中 ， gm1是 NMOS管 M1在 飽和區(qū)的跨 導 ， ro1是 M1 的交流輸出 電阻 。 ? ? ? ? ? ?01111 ///2// rRILWCrRgA LDSoxnoLmV ?????? E/ENMOS放大器 電壓增益 AVE為： 式中 ， ro1是 M1的輸出電 阻 ， 對應的是 M1工作在 飽和區(qū)的交流輸出電阻 ， ro2是 M2的輸出電阻 ， 對 應的是 M2工作在飽和區(qū) 時的源端交流輸出電阻 ， 它的電阻要遠小于 ro1。 ? ?211 // oomVE rrgA ?? 分析 M2的工作就可以知道 ， 因為 M2的柵和漏都是固定電位 ， M2的源極電位對應放大器的輸出端 VOUT，當交流輸入信號使放大器的輸出 VOUT上下擺動時 ， 使M2的 VGS和 VDS同幅度地變化 ， ΔV GS=ΔV DS， 使 M2的工作曲線遵循平方律的轉移曲線 。 這里的 ro2是從 M2源極看進去的等效電阻 ， 其阻值遠比 ro1小 ， 因此 ，ro1//ro2≈r o2。 要提高放大器的電壓增益 ， 就必須增加工作管和負載管的尺寸的比值 。 ? ?? ? 212121 //LWLWggrgAmmomVE ?????? 觀察電路中各器件的工作點可以知道 ， 對于負載管 M2因為它的源極和襯底沒有相連 ， 所以 ， 存在襯底偏置電壓 ， 當它的源極電位隨信號變化而變化時 ，M2的 VBS也跟著變化 ， 即 M2存在襯底偏置效應 ． 并且襯偏電壓值是變化的 。 那么 ， 這個襯底偏置效應又是如何作用于器件的呢 ? 首先 ， 在直流狀態(tài)下 ， 襯底偏置效應使 M2的實際閾值電壓提高 ， 導致它的工作點發(fā)生偏離 。 在設計中應注意這種偏離 ， 加以修正 。 更為嚴重的是 ，襯底偏置效應導致 M1的交流等效電阻發(fā)生變化 ， 而使電壓增益發(fā)生變化 。 襯底偏置效應使放大器的電壓增益不降 ， 這是不希望的 。 (3) E/D NMOS放大器 右圖中 ， 因為耗盡型 NMOS 負載管 M2的柵源短接 ， 所以 ， 無論輸出 VOUT如何變化 ， M2的 VGS都保持零值不變 。 但由于存 在襯底偏置效應的作用 ， 溝道的 電阻將受它的影響 。 放大器的交 流電阻將主要由襯底偏置效應決 定 ， E／ D NMOS放大器的電壓 增益為： ? ?? ? 212211 //11LWLWggggrgABmmqBmBmBmVD ?? ????????