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1、1、电流偏置电路、电流偏置电路 在在模模拟拟集集成成电电路路中中，电电流流偏偏置置电电路路的的基基本本形形式式是是电电流流 镜。所谓的电流镜是由两个镜。所谓的电流镜是由两个 或多个并联的相关电流或多个并联的相关电流 支路组成，各支路的电支路组成，各支路的电 流依据一定的器件比例流依据一定的器件比例 关系而成比例。关系而成比例。1)NMOS基本电流镜基本电流镜 NMOS基本电流镜基本电流镜 由两个由两个NMOS晶体管组晶体管组 成，如图所示。成，如图所示。图图7.3.1 NMOS7.3.1 NMOS基本电流镜基本电流镜第1页/共78页2)NMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜 NMOS基基本本电电流流
2、镜镜因因为为沟沟道道长长度度调调制制效效应应的的作作用用，交交流流输输出出电电阻阻变变小小。从从电电路路理理论论可可知知，采采用用电电流流串串联联负负反反馈也可以提高电路的输出电阻。馈也可以提高电路的输出电阻。威尔逊电流镜正是威尔逊电流镜正是 这样的结构。这样的结构。NMOS威尔逊电流威尔逊电流 镜的电路如右图所示。镜的电路如右图所示。提高输出电阻的基本提高输出电阻的基本 原理是在原理是在M1的源极接的源极接 有有M2而形成的电流而形成的电流 串联负反馈。串联负反馈。图图7.3.2 NMOS7.3.2 NMOS威尔逊电流镜威尔逊电流镜第2页/共78页 M2在在电电路路中中相相当当于于一一个个串
3、串联联电电阻阻(有有源源电电阻阻)，构构成成电电流流串串联联负负反反馈馈。M3的的漏漏节节点点提提供供了了M1的的偏偏置置电电压压，如如果果因因为为某某种种原原因因使使输输出出电电流流Io增增加加，这这个个增增加加了了的的电电流流同同时时也也将将导导致致M2的的VGS2增增加加，使使得得M1的的栅栅源源电电压压VGS1减减小小，从从而而使使电电流流减减小小。反反之之，如如果果某某种种原原因因使使Io减减小小，同同样样也也会会因因M2的的作作用用阻阻止止电电流流变变小小。正正是是因因为为M2的的电电流流串串联联负负反馈的作用，使反馈的作用，使Io趋于恒流，提高了交流输出电阻。趋于恒流，提高了交流
4、输出电阻。第3页/共78页 在在这这个个结结构构中中，如如果果M1利利M2的的宽宽长长比比相相同同(其其他他的的器器件件参参数数也也相相同同)，因因为为在在其其中中流流过过的的电电流流相相同同，则则它它们们的的VGS必必然然相相同同，使使M3的的VGS3=2VGS2，而而M2的的VDS2=VGS2。M1、M2的的这这种种VDS上上的的差差异异也也将将导导致致参参考考电电流流与与输输出出电电流流的的误误差差，这这时时的的参参考考电电流流将将大大于于输输出出电电流流。如如果果M1的的宽宽长长比比大大于于M2的的宽宽长长比比，根根据据萨萨氏氏方方程程，在在相相同同的的电电流流条条件件下下，导导电电因
5、因子子K大大则则所所需需的的VGS就就比比较较小小。VGS1的的减减小小使使得得M3的的VDS3减减小小，缩缩小小了了M2和和M1的的VDS差差别别，可可以以使使误误差差减减小小。但但即即使使M1的的宽宽长长比比再再大大，也也不不可可能能使使VDS3=VDS2，所所以以，若若要要消消除除误误差差必必须须在在M3的的漏漏极极上上串串接接一一个个电电阻阻消消耗耗掉多余的电压，使掉多余的电压，使VDS3=VDS2。第4页/共78页 右图所示的是威尔电流右图所示的是威尔电流镜的改进结构。由镜的改进结构。由M M4 4构成的构成的有有源源电电阻阻“消消耗耗”了了一一个个V VGSGS，使使M M2 2、
6、M M3 3的源漏电压相等。的源漏电压相等。如果如果M M1 1和和M M2 2的宽长比相同，的宽长比相同，从从M M1 1、M M2 2的栅极到的栅极到M M2 2、M M3 3的源极的压差为的源极的压差为2V2VGS2GS2，如果，如果M M2 2、M M3 3相同，则相同，则M M4 4的栅源的栅源电压就为电压就为V VGS2GS2，使，使M M3 3管的源管的源漏电压和漏电压和M M2 2的源漏电压相的源漏电压相同，都为同，都为V VGS2GS2。这样的改进。这样的改进使参考支路和输出支路电流使参考支路和输出支路电流以一个几乎不变的比例存在。以一个几乎不变的比例存在。图图6-3-96-
7、3-9第5页/共78页 NMOSNMOS电电流流镜镜所所能能提提供供的的电电流流偏偏置置通通常常情情况况下下是是灌灌电电流流，即即电电流流是是流流入入漏漏极极的的情情况况。如如果果需需要要的的是是拉拉电电流流，则则可可采采用用PMOSPMOS电流镜。电流镜。3)PMOS3)PMOS电流镜电流镜 PMOSPMOS电电流流镜镜的的结结构构与与工工作作原原理理与与NMOSNMOS结结构构相相同同。下下图图给给出出了了PMOSPMOS的的基基本本电电流流镜镜(a)(a)、威威尔尔逊逊电电流流镜镜(b)(b)和和改改进进型型的威尔逊电流镜的威尔逊电流镜(c)(c)。图图6-3-10 PMOS6-3-10
8、 PMOS电流镜电流镜第6页/共78页 4)4)参考支路电流参考支路电流I Ir r 形形成成参参考考支支路路的的电电流流的的基基本本原原理理很很简简单单，只只要要能能够够形形成对电源成对电源(NMOS(NMOS电流镜电流镜)或对或对(PMOS(PMOS电流镜电流镜)的通路即可。的通路即可。(1)(1)简单的电阻负载参考支路简单的电阻负载参考支路图图6-3-116-3-11第7页/共78页 (2)(2)有源负载的参考支路有源负载的参考支路图图6-3-126-3-12第8页/共78页图图6-3-136-3-13第9页/共78页(3)(3)自自给给基基准准电电流流的的结结构构 如果在电流镜中的如果
9、在电流镜中的参考电流就是一个恒流参考电流就是一个恒流 (如右图所示如右图所示)那么，那么，整个电路中的相关支路整个电路中的相关支路电流就获得了稳定不变电流就获得了稳定不变的基础。的基础。图图6-3-146-3-14第10页/共78页 右右 图图 给给 出出了了一一种种自自给给基基准准电电流流的的结结构构形形式式。M M1 1、M M2 2、M M3 3组组成成了了一一个个两两输输出出支支路路的的 NMOSNMOS电电 流流 镜镜，M M4 4、M M5 5和和M M6 6组组成成了了两两 输输 出出 支支 路路 的的PMOSPMOS电电流流镜镜。M M7 7、M M8 8和和R R所所构构成成
10、的的“启动启动”电路电路 。图图6-3-156-3-15第11页/共78页2 2、电压偏置电路、电压偏置电路 前前面面虽虽然然尚尚未未介介绍绍电电压压偏偏置置电电路路，但但实实际际上上在在上上一一段段已已经经用用到到了了电电压压偏偏置置，例例如如，电电流流镜镜中中V VGS1GS1和和有有源源负负载载的的偏偏置电压置电压V VB B。在这一部分将重点介绍各种电压偏置电路的设计。在这一部分将重点介绍各种电压偏置电路的设计。在在模模拟拟集集成成电电路路中中的的电电压压偏偏置置分分为为两两种种类类型型：通通用用电电压压偏偏置置电电路路和和基基准准电电压压电电路路。通通用用电电压压偏偏置置电电路路用用
11、于于对对电电路路中中一一些些精精度度要要求求较较低低的的电电路路节节点点施施以以电电压压控控制制；基基准准电电压压电电路则是作为电压参考点对电路的某些节点施以控制。路则是作为电压参考点对电路的某些节点施以控制。第12页/共78页（1 1）通用电压源通用电压源 通通用用电电压压源源是是一一些些简简单单的的电电路路，它它按按电电路路要要求求产产生生直直流流电电压压，并并控控制制相相关关器器件件的的工工作作状状态态，一一般没有特殊要求。般没有特殊要求。最最简简单单的的电电压压源源是是分分压压电电路路，它它的的输输出出既既可可以以是是单单点点的的，也也可可以以是是多多点点的的。在在电电子子线线路路中中
12、常常采采用用电电阻阻分分压压电电路路作作为为电电压压偏偏置置的的发发生生电电路路，在在模模拟拟集集成成电电路路中中则则常常采采用用有有源源电电阻阻作作为为分分压压电电路路的的基基本本单单元元。图图6-3-156-3-15给给出出了了全全NMOSNMOS的的分分压压器器电电路路图图(a)(a)和和CMOSCMOS的分压器电路图的分压器电路图(b)(b)。第13页/共78页 图图(a)(a)，V V1 1=V=VGS1GS1，V V2 2=V=VGS1GS1+V+VGS2GS2；图图(b)(b)是是一一个个CMOSCMOS的的分分压压器器结结构构，它它的的分分压压原原理理与与NMOSNMOS并并没
13、没有有什什么么区区别别，它它的的VoVo也可以用上式计算。也可以用上式计算。图图6-3-156-3-15第14页/共78页 上上面面简简单单的的分分压压电电路路有有一一个个共共同同的的缺缺点点，那那就就是是它它们们的的输输出出电电压压值值随随着着电电源源电电压压的的变变化化将将发发生生变变化化。究究其其原原因因是是因因为为电电漏漏电电压压的的波波动动直直接接转转变变为为MOSMOS晶晶体体管管的的V VGSGS的的变变化化。如如果果电电源源电电压压的的波波动动能能够够被被某某个个器器件件“消消化化”掉掉，而而不不对对担担当当电电压压输输出出的的V VGSGS产产生生影影响响就就可可以以使使输输
14、出出电电压压不不受受电电源源电电压压波波动动的的影影响。响。要要使使V VGSGS不不发发生生变变化化，对对于于栅栅漏漏短短接接的的MOSMOS管管必必须须满满足足两两个个条条件件：一一是是V VGSGS不不能能被被直直接接作作用用，二二是是MOSMOS晶体管的电流不能发生变化。晶体管的电流不能发生变化。第15页/共78页 利用稳压管的输出特性同样可以得到稳定的利用稳压管的输出特性同样可以得到稳定的输出电压。稳压管的符号和伏输出电压。稳压管的符号和伏-安特性如下图所示。安特性如下图所示。图图6-3-166-3-16第16页/共78页 在在MOSMOS模模拟拟集集成成电电路路中中的的稳稳压压管管
15、可可以以采采用用pnpn+结结构构和和p p+n n+结结构构制制作作，其其中中，pnpn+结结构构的的稳稳压压值值V VZ Z在在，p p+n n+结结构构的的稳稳压压值值V VZ Z在在左左右右。从从稳稳压压管管的的输输出出特特性性曲曲线线可可以以看看出出，当当电电流流在在一一定定的的范范围围内内波波动动时时，它它的的输输出出电电压压变变化化很很小小。从从这这一一点点我我们们又又得得到到了了一一个个器器件件的的电电阻阻特特性性：稳稳压压管管具具有有直直流流电电阻阻大大于于交交流流电电阻阻的的特特性性。当当然然，当当稳稳压压管管正正向向运运用用的的时时候候，它它就就是是一一个个普普通通的的二
16、二极极管管，它它的的正正向特性也表现为直流电阻大于交流电阻。向特性也表现为直流电阻大于交流电阻。第17页/共78页 利利用用稳稳压压管管构构造造电电压压偏偏置置电电路路的的基基本本结结构构非非常常简简单单，下下图图给给出出了了电电阻阻和和稳稳压压管管串串联联的的电电路路结结构构和和采采用用有有源源负负载载结构的电路形式。结构的电路形式。图图6-3-176-3-17第18页/共78页（2 2）基准电压源）基准电压源 理理想想的的基基准准电电压压源源，要要求求它它不不仅仅有有精精确确稳稳定定的的电电压压输输出出值值，而而且且具具有有低低的的温温度度系系数数。温温度度系系数数是是指指输输出出电电参参
17、量量随随温温度度的的变变化化量量，温温度度系系数数可可以以是是正正的。的。要要使使输输出出电电参参量量的的温温度度系系数数小小，自自然然会会想想到到利利用用具具有有正正温温度度系系数数的的器器件件和和具具有有负负温温度度系系数数的的器器件件适适当当地地组组合合，实实现现温温度度补补偿偿，得得到到低低温温度度系系数数甚甚至至零温度系数的电路结构。零温度系数的电路结构。但但遗遗憾憾的的是是，在在MOSMOS电电路路的的情情况况下下，器器件件的的选选择择有有限限，而而且且基基本本器器件件参参数数与与工工艺艺参参数数和和温温度度参参数数有有强强烈烈的的依依从从关关系系，使使温温度度补补偿偿较较之之双双
18、极极型型电电路路更更困难。在实践中已设计出全困难。在实践中已设计出全MOSMOS的电压基准电路。的电压基准电路。第19页/共78页E/DNMOSE/DNMOS基准电压源基准电压源 增增强强型型和和耗耗尽尽型型MOSMOS晶晶体体管管的的阈阈值值电电压压有有非非常常类类似似的的负负温温度度系系数数，因因此此，它它们们的的电电压压差差对对温温度度的的变变化化不不敏敏感感，可可以以利利用用这这个个特特点点制制造造温温度度稳稳定定的的电电压基准。压基准。图图6-3-186-3-18所所示示的的是是以以耗耗尽尽型型/增增强强型型阈阈值值电电压压差差为为基基础础的的电电压压基基准准电电路路的的原原理理图图
19、。假假设设电电路路中中的的增增强强型型NMOSNMOS管管M M1 1的的阈阈值值电电压压为为V VTNETNE，耗耗尽尽型型NMOSNMOS管管M M2 2的的阈阈值值电电压压为为V VTNDTND，并并假假定定R R1 1、R R2 2相相匹匹配配。作作为为M M1 1、M M2 2的的负负载载。A A是是一一高高增增益益放放大大器器，构构成成负负反反馈馈工工作作方方式式。M M1 1、M M2 2的的栅栅源源电电压压之之差差作作为为基基准准输输出出电电压压，即即V VREFREF=A(V=A(VD1D1-V-VD2D2)=V)=VGSEGSE-V-VGSDGSD。第20页/共78页图图6
20、-3-186-3-18第21页/共78页 在在工工作作过过程程中中，若若某某种种原原因因引引起起V VD1D1上上升升，这这将将引引起起V VREFREF上上升升，并并因因此此使使I IDEDE上上升升，迫迫使使V VD1D1下下降降，保证保证V VRFERFE的稳定。的稳定。V VREFREF的的温温度度系系数数决决定定于于3 3个个因因素素：M M1 1、M M2 2的的阈阈值值电电压压之之差差的的温温度度系系数数；M M1 1、M M2 2的的漏漏极极电电流流I ID D的的温温度度系数；沟道电子迁移率的温度系数。系数；沟道电子迁移率的温度系数。近近似似计计算算的的结结果果表表明明：在在
21、低低温温范范围围，影影响响温温度度 稳稳定定性性的的主主要要因因素素是是迁迁移移率率的的温温度度系系数数，这这时时V VRFERFE的的温温度度系系数数是是正正的的；在在高高温温范范围围内内，影影响响V VRFERFE的的温温度度稳稳定定性性的的主主要要因因素素是是阈阈值值电电压压差差的的温温度度系系数数，V VRFERFE的的温温度系数是负的；在室温附近，度系数是负的；在室温附近，V VRFERFE的温度系数比较小。的温度系数比较小。第22页/共78页工作在亚阈值区的工作在亚阈值区的CMOS基准电压源基准电压源 当当MOS器器件件在在极极小小电电流流下下工工作作时时，栅栅极极下下方方呈呈现现
22、的的沟沟道道相相当当薄薄，并并且且包包含含的的自自由由载载流流子子非非常常少少。器器件件的的这这一一工工作作区区域域被被称称为为弱弱反反型型或或亚亚阈阈值值区区。工工作作在在亚亚阈阈值值区区的的NMOS晶晶体体管管，当当漏漏源源电电压压大大于于几几个个热热电电势势Vt(=kT/q)时时，具具有有正正温温度度系系数数，约约为为+1500ppmC。利利用用MOS器器件件在在亚亚阈阈值值区区的的电电流流、电电压压的的指指数数关关系系，采采用用图图6-3-19(a)所所示示的的结结构构，我我们们可可以以得得到到具具有有正正温温度度系系数数的的V这这是是一一个个正正温温漂漂源源，如如果果有有一一个个负负
23、温温源源与与它它相相抵抵消消，则则可可以以得得到低温漂的电压基准。到低温漂的电压基准。第23页/共78页 图图(b)给给出出了了一一个个电电路路结结构构，这这里里的的负负温温漂漂源源是是VBE，VBE的的温温度度系系数数为为-2mVC。图图中中连连接接成成二二极极管管结结构构的的NPN晶晶体体管管是是由由CMOS结结构构中中的的n+掺掺杂杂区区(NMOS的的源源漏漏掺掺杂杂)做做发发射射区区，p阱阱为为基基区区，N型型衬衬底底为为集集电电区区的的寄寄生生双双极极晶体管。晶体管。图图6-3-196-3-19第24页/共78页7.3.2 放大电路放大电路 放放大大器器是是模模拟拟集集成成电电路路的
24、的基基本本信信号号放放大大单单元元。在在模模拟拟集集成成电电路路中中的的放放大大电电路路有有多多种种形形式式，其其基基本本构构成成包包括括放放大大器器件件(有有时时又又称称为为工工作作管管)和和负负载载器器件件。放放大大电电路路的的设设计计主主要要有有两两个个内内容容：电电路路的的结结构构设设计计和和器器件件的的尺尺寸寸设设计计。电电路路的的结结构构设设计计是是根根据据功功能能和和性性能能要要求求，利利用用基基本本的的积积木木单单元元适适当当地地连连接接和和组组合合来来构构造造电电路路，通通过过器器件件的的设设计计实实现现所所需需的的性性能能参参数数。这这个个过过程程可可能能要要经经过过多多次
25、次反反复复，不不断断地地修修正正电电路路结结构和器件参数，最后获得符合要求的电路单元。构和器件参数，最后获得符合要求的电路单元。第25页/共78页1 1、单级倒相放大器、单级倒相放大器 倒倒相相放放大大器器的的基基本本结结构构通通常常是是漏漏输输出出的的MOSMOS工作管和负载的串联结构。工作管和负载的串联结构。（1 1）基本放大电路）基本放大电路 下下图图给给出出了了6 6种种常常用用的的MOSMOS倒倒相相放放大大器器电电路路结结构构。其其基基本本工工作作管管上上是是NMOSNMOS晶晶体体管管，各各放放大大器器之之间间的的不不同同主主要要表表现现在在负负载载的的不不同同上上，也也正正是是
26、因因为为负负载载的的不不同同，导导致致了了其其输输出出特特性性上上的的很很大大区区别别。图图中中的输入信号的输入信号V VININ中包含了直流偏置和交流小信号。中包含了直流偏置和交流小信号。第26页/共78页图图6-3-20 6-3-20 基本放大器基本放大器第27页/共78页l电阻负载电阻负载NMOSNMOS放大器放大器 电压增益电压增益A AV V为：为：式中，式中，g gm1m1是是 NMOSNMOS管管M M1 1在在 饱和区的跨饱和区的跨 导，导，r ro1o1是是M M1 1 的交流输出的交流输出 电阻。电阻。第28页/共78页lE/ENMOSE/ENMOS放大器放大器电压增益电压
27、增益A AVEVE为：为：式中，式中，r ro1o1是是M M1 1的输出电的输出电阻，对应的是阻，对应的是M M1 1工作在工作在饱和区的交流输出电阻，饱和区的交流输出电阻，r ro2o2是是M M2 2的输出电阻，对的输出电阻，对应的是应的是M M2 2工作在饱和区工作在饱和区时的源端交流输出电阻，时的源端交流输出电阻，它的电阻要远小于它的电阻要远小于r ro1o1。第29页/共78页 分分析析M M2 2的的工工作作就就可可以以知知道道，因因为为M M2 2的的栅栅和和漏漏都都是是固固定定电电位位，M M2 2的的源源极极电电位位对对应应放放大大器器的的输输出出端端V VOUTOUT，当
28、当交交流流输输入入信信号号使使放放大大器器的的输输出出V VOUTOUT上上下下摆摆动动时时，使使M M2 2的的V VGSGS和和V VDSDS同同幅幅度度地地变变化化，VVGSGS=V=VDSDS，使使M M2 2的的工工作作曲曲线线遵遵循循平平方方律律的的转转移移曲曲线线。这这里里的的r ro2o2是是从从M M2 2源源极极看看进进去去的的等等效效电电阻阻，其其阻阻值值远远比比r ro1o1小，因此，小，因此，r ro1o1/r/ro2o2rro2o2。要要提提高高放放大大器器的的电电压压增增益益，就就必必须须增增加加工工作作管和负载管的尺寸的比值。管和负载管的尺寸的比值。第30页/共
29、78页 观观察察电电路路中中各各器器件件的的工工作作点点可可以以知知道道，对对于于负负载载管管M M2 2因因为为它它的的源源极极和和衬衬底底没没有有相相连连，所所以以，存存在在衬衬底底偏偏置置电电压压，当当它它的的源源极极电电位位随随信信号号变变化化而而变变化化时时，M M2 2的的V VBSBS也也跟跟着着变变化化，即即M M2 2存存在在衬衬底底偏偏置置效效应应并并且且衬衬偏偏电电压压值值是是变变化化的的。那那么么，这这个个衬衬底底偏偏置置效应又是如何作用于器件的呢效应又是如何作用于器件的呢?首首先先，在在直直流流状状态态下下，衬衬底底偏偏置置效效应应使使M M2 2的的实实际际阈阈值值
30、电电压压提提高高，导导致致它它的的工工作作点点发发生生偏偏离离。在在设设计计中中应应注注意意这这种种偏偏离离，加加以以修修正正。更更为为严严重重的的是是，衬衬底底偏偏置置效效应应导导致致M M1 1的的交交流流等等效效电电阻阻发发生生变变化化，而而使使电电压压增增益益发发生生变变化化。衬衬底底偏偏置置效效应应使使放放大大器器的的电电压增益不降，这是不希望的。压增益不降，这是不希望的。第31页/共78页(3)E/D NMOS(3)E/D NMOS放大器放大器 右图中，因为耗尽型右图中，因为耗尽型NMOSNMOS负载管负载管M M2 2的栅源短接，所以，的栅源短接，所以，无论输出无论输出V VOU
31、TOUT如何变化，如何变化，M M2 2的的V VGSGS都保持零值不变。但由于存都保持零值不变。但由于存在衬底偏置效应的作用，沟道的在衬底偏置效应的作用，沟道的电阻将受它的影响。放大器的交电阻将受它的影响。放大器的交流电阻将主要由衬底偏置效应决流电阻将主要由衬底偏置效应决定，定，E ED NMOSD NMOS放大器的电压放大器的电压增益为：增益为：第32页/共78页 可可以以看看出出，以以耗耗尽尽型型NMOS晶晶体体管管作作为为负负载载的的NMOS放放大大器器的的电电压压增增益益大大于于以以增增强强型型NMOS晶晶体体管管做做负负载载的的放放大大器器。但但两两者者有有一一个个共共同同点点，那
32、那就就是是：减减小小衬衬底底偏偏置置效效应应的的作作用用将将有有利利于于电电压压增增益益的的提提高高。对对ED NMOS放放大大器器，如如果果衬衬底底偏偏置置效效应应的的作作用用减减小小，则则B将将减减小小，当当B趋趋于于零零时时，放放大大器器的的电电压压增增益益将将趋趋于于无无穷穷大大。这这是是因因为为当当不不考考虑虑衬衬偏偏应应时时，如如前前所所述述，M2提提供供的的是是恒恒流流源源负负载载，其其理理想想的交流电阻等于无穷大。的交流电阻等于无穷大。第33页/共78页 (4)PMOS负载放大器负载放大器 下下图图所所示示的的增增强强型型PMOS负负载载放放大大器器以以CMOS技技术术作作为为
33、技技术术基基础础。由由于于PMOS管管是是衬衬底底和和源源极极短短接接，这这样样的的电电路路结结构构不不存存在在衬衬底底偏偏置置效效应应。(e)图图电电路路和和(f)图图电电路路的的结结构构差差别别在在于于PMOS晶晶体体管管是是否否接接有有固固定定偏偏置置，但但也也正正是是因因为为这这一一点点使它们在性能上产生了较大的差别。使它们在性能上产生了较大的差别。第34页/共78页（2）基本放大器的改进）基本放大器的改进l消除或减小衬偏效应影响消除或减小衬偏效应影响 之之所所以以产产生生衬衬底底偏偏置置效效应应是是因因为为MOS 器器件件的的源源和和衬衬底底未未连连接接在在一一起起，使使源源和和衬衬
34、底底间间的的pn结结反反偏偏所所至至。消消除除衬衬底底偏偏置置的的一一个个最最简简单单的的方方法法是是将将MOS器件的源与衬底短接，但这必须获得的支持。器件的源与衬底短接，但这必须获得的支持。如如果果是是全全NMOS结结构构，由由于于是是制制作作在在相相同同的的p-Si衬衬底底之之上上，所所有有器器件件的的衬衬底底是是连连接接在在一一起起的的，只只有有源源端端接接地地(单单电电源源供供电电)或或最最负负(正正负负双双电电源源供供电电)的的NMOS管管的的源源和和衬衬底底是是相相连连的的，其其他他的的NMOS管都不能够实现源和衬底的短接。管都不能够实现源和衬底的短接。第35页/共78页 如如果果
35、是是p阱阱CMOS工工艺艺，可可以以通通过过源源和和衬衬底底短短接接消消除除电电路路中中存存在在衬衬底底偏偏置置的的NMOS管管。方方法法是是对对这这些些NMOS管管的的每每一一个个单单独独制制作作一一个个p阱阱，并并将将NMOS管管的的源源极极和和衬衬底底接接触触区区相相连连。对对电电路路中中源源极极未未接接正正电电源源的的PMOS管管，不不能能够够消消除除衬衬底底偏偏置置。如如果果是是n阱阱CMOS工工艺艺，则则可可以以采采用用单单独独制制作作n阱阱的的方方法消除法消除PMOS管的衬底偏置，对管的衬底偏置，对NMOS管则不行。管则不行。除除了了工工艺艺措措施施消消除除器器件件的的衬衬底底偏
36、偏置置的的方方法法外外，还还可可以以采采用用电电路路结结构构的的设设计计改改进进减减小小衬衬底底偏偏置置对对放放大器性能的影响。大器性能的影响。第36页/共78页 在在图图6-3-20(d)所所示示的的E/D NMOS放放大大器器中中，由由于于耗耗尽尽型型NMOS管管的的衬衬偏偏效效应应使使放放大大器器的的电电压压增增益益下下降降。修修改改这这个个电电路路结结构构的的指指导导思思想想是是：当当负负载载管管的的衬衬底底偏偏置置效效应应使使负负载载管管中中导导电电水水平平下下降降时时，设设法法提提高高负负载载管管的的VGS值值，提提高高负负载载管管的的导导电电水水平平。如如果果能能够够使使下下降降
37、的的电电流流值值与与提提高高的的电电流流值相等，则可以抵消衬底偏置的影响。值相等，则可以抵消衬底偏置的影响。经修改后的电路结构经修改后的电路结构 如右图所示，用虚线框起如右图所示，用虚线框起 的晶体管组合构成电路的的晶体管组合构成电路的 负载。负载。M3、M4组成的附加组成的附加 电路用以减小衬偏效应的电路用以减小衬偏效应的 影响，其中流过的电流影响，其中流过的电流 IX远小于工作的正常电流远小于工作的正常电流ID。图图6-3-216-3-21第37页/共78页 这这个个电电路路的的工工作作原原理理是是：如如果果不不考考虑虑衬衬底底偏偏置置效效应应和和沟沟道道长长度度调调制制效效应应，则则当当
38、放放大大器器的的输输出出VOUT上上下下摆摆动动时时，由由M3的的VDS消消耗耗了了VOUT的的变变化化量量，只只要要M3仍仍工工作作在在饱饱和和区区，电电流流Ix就就不不会会发发生生变变化化，M4的的 VGS4保保 持持 不不 变变，M2以以 恒恒 定定 的的 VGS2工工 作作，与与VGS2=0的的情情况况相相似似，所所不不同同的的仅仅仅仅是是基基本本栅栅源源偏偏置置不同。不同。减减小小衬衬偏偏效效应应影影响响的的工工作作原原理理：当当输输出出电电压压VOUT向向正正向向摆摆动动时时，衬衬偏偏效效应应的的作作用用使使得得M2的的电电流流减减小小，但但同同时时衬衬偏偏效效应应也也使使M4的的
39、沟沟道道电电阻阻变变大大，M4所所对对应应的的转转移移特特性性曲曲线线向向右右移移动动，如如果果仍仍能能保保持持Ix不不变变，则则必必然然使使VGS4增增加加，从从而而使使M2的的栅栅源源电电压压增增加加，并并导导致致M2的的电电流流增增加加，部部分分地地消消除除了了衬衬偏偏效效应的影响应的影响。第38页/共78页 实实际际上上，同同样样的的因因为为衬衬底底偏偏置置效效应应的的作作用用，M3的的导导电电水水平平也也将将下下降降，使使Ix减减小小，为为保保证证减减小小衬衬偏偏效效应应影影响响的的效效果果，在在设设计计中中应应使使M3的的电电阻阻远远小小于于M4的的电电阻阻，其其目目的的是是使使衬
40、衬底底偏偏置置效效应应对对M3沟沟道道电电阻的影响远小于对阻的影响远小于对M4的影响。的影响。这这个个电电路路的的缺缺点点是是减减小小了了放放大大器器的的动动态态输输出出范围。范围。图图中中，用用虚虚线线框框起起来来的的器器件件组组合合部部分分，可可以以作作为为减减小小耗耗尽尽型型负负载载衬衬底底偏偏置置效效应应影影响响的的了了电电路路，在电路设计中应用。在电路设计中应用。第39页/共78页lCMOS推挽放大器推挽放大器 前前面面所所介介绍绍和和讨讨论论的的放放大大器器都都是是以以单单一一的的MOS管管为为工工作作管管的的结结构构，用用 做做 有有 源源 负负 载载 的的MOS管管的的放放大大
41、能能力力未未被被利利用用。CMOS推推挽挽放放大大器器仍仍然然采采用用一一对对MOS晶晶体体管管作作为为基基本本单单元元，如如右右图图所所示示，在在输输入入信信号号VIN中中包包括括了了直直流流电电压压偏偏置置VGS和和交交流流小小信信号号vi。图图6-3-226-3-22第40页/共78页 因因为为两两管管的的沟沟道道不不同同，所所以以，当当输输入入信信号号电电压压向向正正向向摆摆动动时时，NMOS管管的的电电流流增增加加，PMOS管管的的电电流流减减小小，即即两两管管的的交交流流电电流流方方向向相相反反，放放大大器器的的输输出出电电流流为为两两管管电电流流数数值值之之和和。M1的的输输出出
42、交交流电流等于：流电流等于：第41页/共78页2、差分放大器、差分放大器 差差分分放放大大器器是是模模拟拟集集成成电电路路的的重重要要单单元元。为为了了抑抑制制共共模信号，通常将差分放大器作为模拟集成电路的输入级。模信号，通常将差分放大器作为模拟集成电路的输入级。共共模模抑抑制制比比是是差差模模电电压压增增益益和和共共模模电电压压增增益益之之比比。共共模模抑抑制制比比表表示示差差分分放放大大电电路路抑抑制制共共模模信信号号能能力力的的强强弱弱，共共模模抑制比越大，表示差分放大器抑制模信号的能力强。抑制比越大，表示差分放大器抑制模信号的能力强。差差模模信信号号vid=vi1-vi2，共共模模信信
43、号号vic=（vi1+vi2）/2。（1）基本的）基本的MOS差分放大器差分放大器电路结构电路结构 MOS差差分分放放大大器器的的电电路路结结构构如如图图6-3-23所所示示。其其中中，(a)图图给给出出的的是是以以NMOS晶晶体体管管作作为为差差分分对对管管的的电电路路结结构构，(b)给给出出的的是是以以PMOS晶晶体体管管为为差差分分对对管管的的电电路路结结构构。电电路路中中的的负负载载可可以以是是各各种种形形式式，通通常常为为有有源源负负载载。M5被被偏偏置置在在饱和区，作为另一个负载，它提供恒流饱和区，作为另一个负载，它提供恒流ISS。第42页/共78页图图6-3-236-3-23第4
44、3页/共78页lMOSMOS差分放大器的负载形式差分放大器的负载形式 MOSMOS差差分分放放大大器器的的负负载载与与基基本本放放大大器器的的负负载载形形式式有有相相似似之之处处，主主要要的的差差别别在在于于差差分分放放大大器器的的负负载载是是成成对对的的结结构构，与与差差分分对对管管一一样样，它它们们也也通通常常是是匹匹配配形形式式，即即两两个个负负载载器器件件是是同同种种器器件件，具具有有相相同同的的电电学学参参数数和和几几何何参参数数。差差分分放放大大器器的的负负载载通通常常是是有有源源负负载载，对对NMOSNMOS差差分分对对管管的的差差分分放放大大器器，其其负负载载可可以以是是增增强
45、强型型NMOSNMOS有有源源负负载载，耗耗尽尽型型NMOSNMOS有有源源负负载载，互互补补型型有有源源负负载载(PMOS(PMOS恒恒流流源源负负载载)，以以及及电流镜负载。电流镜负载。第44页/共78页图图6-3-246-3-24第45页/共78页 1)1)增强型增强型NMOSNMOS有源负载有源负载 2)2)耗尽型耗尽型NMOSNMOS有源负载有源负载 3)PMOS3)PMOS恒流源负载恒流源负载 4)PMOS4)PMOS电流镜负载电流镜负载 前前面面3 3种种负负载载形形式式的的差差分分放放大大器器的的共共同同问问题题是是，如如果果信信号号电电压压单单端端输输出出，放放大大器器的的电
46、电压压增增益益要要受受到到损损失失。但但如如果果取取双双端端输输出出，则则意意味味着着后后级级放放大大器器也也必必须须是是双双端端输输入入的的放放大大器器。否否则则，必必须须在在两两级级放放大大器器之之间间插插入入双双端端转转单单端端的的电路。电路。最最后后一一个个给给出出了了以以PMOSPMOS电电流流镜镜为为负负载载的的差差分分放放大大器器的的电电路路形形式式。由由于于采采用用了了电电流流镜镜，在在差差分分放放大大器器中中就就完完成成了了双双端端转转单单端端的的功功能能，其其特特点点是是采采用用单单端端电电压压输输出出而而不不损损失失电压增益。电压增益。第46页/共78页7.3.3 源极跟
47、随器源极跟随器 在在前前面面介介绍绍的的各各种种单单级级放放大大器器都都是是倒倒相相放放大大器器，其其共共同同的的特特点点是是在在工工作作管管的的漏漏极极输输出出信信号号电电压压。与与双双极极电电路路中中的的射射极极跟跟随随器器一一样样，MOS电电路路也也有有同同相相输输出出的的电电路路结结构构，MOS 工工作作管管的的源源极极输输出出信信号号跟跟随随输输入入信信号号。这这样样的的电电路路称称为为源源极极跟跟随随器器，具具有有输输入入阻阻抗抗高高，输输出出阻阻抗抗低低，电电压压增增益益接接近近于于1(小小于于1)的的特特点点。源源极极跟跟随随器器电电路路及及其其变变化化形式的电路在形式的电路在
48、MOS模拟集成电路中有广泛地应用。模拟集成电路中有广泛地应用。第47页/共78页 下下图图给给出出了了两两种种EENMOS源源极极跟跟随随器器的的电电路路图图。电电路路的的差差别别在在于于(a)图图是是固固定定栅栅电电压压偏偏置置负负载载结结构构，M2所所构构成成的的是是恒恒流流源源负负载载，(b)图图是是栅栅漏漏短短接接的的负负载载结结构构，其其等等效效负负载载电电阻阻值值较较小小。由由于于电电路路中中的的工工作作管管M1的的源源和和衬衬底底间间存存在在电压差，所以，电压差，所以，M1存在衬底偏置效应。存在衬底偏置效应。图图6-3-256-3-25第48页/共78页 与与前前面面的的讨讨论论
49、类类似似，源源跟跟随随器器也也可可以以采采用用其其他的有源负载形式。他的有源负载形式。源源极极跟跟随随器器的的电电压压增增益益是是小小于于1而而接接近近于于1。和和双双极极型型电电路路中中的的情情况况相相似似，负负载载电电阻阻越越大大，串串联联电电流流负负反反馈馈的的作作用用越越大大，源源极极对对栅栅极极信信号号的的跟跟随性越好。随性越好。7.3.4 MOS输出放大器输出放大器 MOS输输出出级级的的基基本本考考虑虑除除了了一一般般放放大大器器的的特特性性之之外外，主主要要是是电电流流输输出出驱驱动动能能力力，输输出出电电压压的的动动态态范范围围等等的的问问题题。如如果果是是电电压压输输出出，
50、则则希希望望尽可能减小输出电阻。尽可能减小输出电阻。第49页/共78页（1）源极输出级）源极输出级 最最简简单单的的MOS输输出出级级电电路路是是源源极极跟跟随随器器。前前面面已已经经介介绍绍了了两两种种简简单单的的源源极极跟跟随随器器电电路路，下下面面给给出出了了另另一一个个电电路路形形式式。M1、M2和和M3组组成成分分相相器器电电路路，输输入入给给M1的的信信号号vi在在M1的的漏漏和和源源产产生生两两个个相相位位相相反反的的信信号号，分分别别送送到到M4和和M5的的栅栅极极。如如果果M2、M3设设计计的的相相同同，则则分分相相器器将将产产生生两两个个大大小小相相等等，相相位位相相反反的