【正文】 互補晶體管結(jié)構(gòu) ， 可以方便地直接把雙極型模擬集成電路轉(zhuǎn)變?yōu)橥惖?CMOS模擬集成電路 。 下圖顯示了一個具有兩級放大的 CMOS運算放大器電路 。 圖 1 這個運算放大器電路由 5個基本電路單元模塊組成：偏置電路 ， 差分放大電路 ， 源極跟隨器 ， 推挽輸出級和頻率補償網(wǎng)絡(luò) 。 基本的偏置電路包括了 M M11和 M M6。其中 ， M M11， 組成了 NMOS比例電流鏡的參考支路 ， 其輸出支路 M5為差分放大級提供了恒流源負(fù)載 ， 同時 ， 與之相連的 M6也為源極跟隨器提供了恒流源負(fù)載 。 差分放大級由 M1~M5組成 ， 其中 M5是恒流源負(fù)載 。 以 NMOS晶體管 M M2作為差分輸入對管 ， 以PMOS基本電流鏡作為差分放大級的有源負(fù)載完成雙轉(zhuǎn)單 。 M M6構(gòu)成 NMOS的源極跟隨器電路 ， 實現(xiàn)電平位移 ， 并為 M M9提供靜態(tài)偏置 。 VGS7確定了 MM9的柵極直流電壓的差值 ， M M9構(gòu)成了 CMOS推挽榆出級 。 因為是恒流源負(fù)載的源跟隨結(jié)構(gòu) ， 交流信號在 M M9上近似相等 。 源極跟隨器的直流電平的位移量 ΔV由 M7的靜態(tài)電流 IDS7和 M7的尺寸決定 。 在電流一定的情況下 ， 只要改變 M7的寬長比即可改變直流電平的位移量 ， 用以保證輸出失調(diào)為 0。 M M9構(gòu)成 CMOS推挽放大級 ， 它們同時接受來自差分輸入級的信號 ， 兩者互為負(fù)載 ， 但同叫又都是放大管 。 其工作原理與圖 636介紹的 CMOS推挽放大級相同 。 當(dāng)輸入電壓正向變化時 ， M9的電流增加 ，M8電流減少 ， 負(fù)載電流由 M9提供 ， 輸出電壓向負(fù)向變化；反之 ， 當(dāng)輸入電壓向反向變化時 ， M9電流減少 ，M8電流增加 ， 負(fù)載電流 (流出放大器 )由 M8提供 ， 輸出電壓向正向變化 。 M1 M13構(gòu)成一個常開的 CMOS傳輸對 ， 它當(dāng)做電阻使用 ， 和電容 Cc組成頻率補償網(wǎng)絡(luò) 。 它們跨接在輸出放大級的輸入與輸出端之間 ， 利用密勒效應(yīng)提高它們的等效阻抗 ． 滿足頻率補償?shù)囊?。 CMOS傳輸對中的晶體管的源和漏與傳輸?shù)男盘栍嘘P(guān) ， 但 M12和 M13的同一側(cè)的源漏定義總是相反的 ， 因此 ， 從一側(cè)看進去總是一個是漏電阻 ， 另一個是源電阻也就是說 ， 一個電阻大 ， 一個電阻小 。 它們的并聯(lián)電阻取決于小電阻 ， 當(dāng) M1 M13設(shè)計的跨導(dǎo)相同時 ， 等效電阻rAB≈1/gm， gm是 Ml2(M13)的跨導(dǎo) 。 （ 2） CMOS共源 共柵 (cascode)運放 下圖給出另一個兩級 CMOS運算放大器的簡化電路 。 所謂簡化是指這個電路中的偏置電路被電流源 IB和偏置電壓 VBVB9所替代而未畫出 。 圖 2 共源 共柵運放的名稱來源于第 2級放大電路中 M M8和M M9的結(jié)構(gòu) 。 其中 M M7是共源結(jié)構(gòu) ， M M9是共柵結(jié)構(gòu) ， 所以 ， M M8構(gòu)成了共源 共柵組態(tài) ， 同樣 ， M M9也構(gòu)成了共源 共柵組態(tài) 。 和雙極型電路中的共射 共基組態(tài)相似 ， 在 MOS放大器中 ，采用共源 共柵組態(tài)的目的通常是為了減小工作管的密勒電容 ，從而減小放大器的輸入電容 ， 以減輕前級放大器的輸出負(fù)載 ，同時擴展放大器的帶寬 。 這個運放由偏置電路和兩級放大電路組成：基本偏置電路是電流源 IB和 NMOS晶體管 M1 M11所組成的電流鏡 。 輸入放大級是以 NMOS晶體管 M M2為差分對管 ， 以兩組有源負(fù)載所組成的雙端輸出的差分放大級 。 雙端輸出的差模信號被同時送到了共源 共柵放大級的輸入端 。 這里巧妙地利用了 3組電流鏡 ， 因此 ， 也可以通過電流鏡的電流傳輸作用解釋運算放大器的工作原理 。 當(dāng)輸入差模信號使 M1管電流減少 ， M2管電流增加時 ， 因為差分放大器的有源負(fù)載都位于電流鏡的參考支路 ， 因此 ， M M5組成的電流鏡電流減少 ， 并因此使 M10管電流減少 ， 同時 ， M4的電流增加 。 通過電流鏡的作用 ， M7管電流減少 ， M6管電流增加 ， 負(fù)載電流由 M6提供 ， 負(fù)載電容充電 ， 輸出端電位上升 。 反之 ， M6電流減少 ， M7電流增加 ， 負(fù)載電流由 M7提供 ，負(fù)載電容放電 ， 輸出電位下降 。 由此我們也可知道 ， M1的柵極是運算放大器的反相輸入端 ， M2的柵極是運算放大器的同相輸入端 。 （ 3） 帶有推挽輸出級的運放 圖 3 以上介紹的是兩級放大器的結(jié)構(gòu) ， 如果需要高的電壓增益 ， 則 ， 可以考慮采用三級放大器結(jié)構(gòu) 。 但是 ， 當(dāng)放大級的級數(shù)超過兩級 (包括兩級 )后運放的閉環(huán)穩(wěn)定性的問題是一個較嚴(yán)重的問題 。 在電路設(shè)計中必須采取相應(yīng)的措施 ， 保證運算放大器閉環(huán)工作的穩(wěn)定性 。 三 、 電壓比較器 電壓比較器是另一個重要的模擬單元 ， 在模擬信號的處理中 ， 有時要比較和判別兩個信號的大小 ， 比較器的作用就是將兩個模擬信號進行比較 ， 輸出一個邏輯值 。 比較器輸出邏輯值的特性是它和一般的模擬集成電路的主要不同之處 ，后圖給出了比較器的符號和電壓傳輸特性 。 理想的電壓比較器 ， 當(dāng)輸入電壓 VP大于等于參考電壓 VN， 即 VP≥V N時 ， 電壓比較器的輸出為高電平；當(dāng) VPVN時 ， 電壓比較器的輸出為低電平 。 如果參考電平 VN接的是同相端 ， 情況正好相反 。 電壓比較器結(jié)構(gòu)設(shè)計的和運算放大器類似 ， 也是雙端差分輸入 ， 單端輸出的放大器 。 但是在許多具體要求上 ， 它又和運算放大器有很大的不同 。 主要表現(xiàn)在： (l)電壓比較器的輸出電壓擺幅和直流電平 ， 都被設(shè)計得和邏輯電平相適應(yīng) ， 它不需要正負(fù)極性對稱的輸出 。 (2)電壓比較器的輸出是在兩種輸出電平之間擺動 。 電壓增益僅僅是為了減小能使輸出從一種邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種邏輯狀態(tài)所需的差分輸入變化量 。 (3)因為電壓比較器是大信號應(yīng)用 ， 所以總是工作于開環(huán)狀態(tài) ， 不需要設(shè)計頻率補償網(wǎng)絡(luò) 。 在實際設(shè)計中還必須特別注意減小電壓比較器的失調(diào)電壓 。 對于高性能的電壓比較器 ， 應(yīng)具有高的開環(huán)增益 、 低的失調(diào)電壓高的壓擺率 。 ? 差分電壓比較器 前面介紹的差分放大器，如果將它的工作區(qū)域擴展到飽和區(qū)，就可以作為差分電壓比較器。 從對 CMOS差分放大器的分析可知 ， 在其他參數(shù)相同的情況下恒流源電流 Iss越小 ， 其電壓增益越大 。 同時 ， 我們還知道Iss越小 ， 在差模輸入時的線性范圍越小 。 因此 ，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計 ， 可以很方便地將普通的差分放大器電路用做為電壓比較器 。 設(shè)計的目標(biāo)是使差模電壓達(dá)到一定的數(shù)值時 ，其輸出的電壓對應(yīng)電壓比較器的 VOH或 VOL。 當(dāng)然 ， 僅僅一級放大器難以有效地提高電壓比較器的電壓增益 ， 不能滿足電壓比較器的比較靈敏度和轉(zhuǎn)換時間的要求 。為增加增益 ， 常采用兩級放大電路構(gòu)造電壓比較器 。 )/( KI ss??兩級電壓比較器 從電路的結(jié)構(gòu)上看 ， 這個 ， 電壓比較器與普通的運放非常相像 。 參考電流 IB和 M8構(gòu)成基本偏置電路 。 第一級是差分放大級 ， 以 NMOS晶體管為差分對管 ， 以 PMOS電流鏡作為有源負(fù)載 ， 并完成雙轉(zhuǎn)單 ， M7作為差分放大器的下負(fù)載提供恒流源偏置 ， 由這個電流的設(shè)置可以確定差分放大級的電壓增益和線性范圍 。 第二級放大器是以 PMOS為放大管的共源放大器 。 通過對 M5的設(shè)計及偏流的設(shè)計可以受變放大器的電壓增益 。 在平衡點 ， 即 VP=VN時 ， 要求所有的器件均工作在飽和區(qū) 。為減小失調(diào)電壓 ， 差分放大器中的 M1， M2， M3和 M4相匹配 ，這里求 M1， M2的寬長比應(yīng)設(shè)計的相同 ， 且在版圖中位置對稱 ，幾何圖形相同 ， 高精度要求時還應(yīng)采用同心布局結(jié)構(gòu) 。 同樣地 ，M M4也應(yīng)保持寬長比的一致與對稱 。