CMOS运放的工作原理与参数解释及分析

CMOS运放的电路结构确定后，最重要的是确定运放各级的工作电流与工作电压。为使运放工作正常，首先要保证运放各级放大器中的场效应管在静态和规定的动态条件下，处于饱和区；其次，在静态条件下，输入端等于零电压时，输出端电压为零，即要有小的失调电压；第三，根据增益、输出动态幅度等确定各级放大器及偏置电路的工作电流。我们知道，MOS管的工作电流、电压决定于工艺参数和沟道的宽长比。如果工艺参数确定之后，工作电压（VG1）也就确定了，那么MOS管的工作电流ID只与沟道的宽长比有关。因此在MOS运放中，各级放大器的工作点与MOS管的沟道宽长比密切相关。下面我们以常用的CMOS运放电路为例来进行分析，为使MOS运放具有小的失调电压，如何来确定各级放大器中的MOS管的沟道宽长比。

利用图3.2-1所示的电路进行输入失调电压分析。

CMOS运放

在这里，影响电路输入失调电压的因素包括M1和M2本身的输入失调电压和M3、M4管失配的影响（记为），以及后级的影响（记为），故电路总的输入失调电压为

CMOS运放

根据第二章第五节的讨论可知，为

CMOS运放

1、失调电压

必须指出，上式的失调电压的表示式是在考虑输入对管M1、M2和电流源管M3、M4对称条件下得出的，它是由工艺参数（如扩散不均匀，氧化层厚度不均匀）、制版、光刻等原因引入的随机失调电压。要减小这种随机失调电压，应改善工艺条件、提高制版、光刻精度，此外，在设计版图时，应使输入对管M1、M2和电流源对管M3、M4尽量靠近，以减小M1、M2管的阈值电压差值和M3、M4管的阈值电压差值，并适当加大管子尺寸，以减小M1、M2和M3、M4的沟道宽度、长度的相对误差。

第二项失调主要由第二级引起的。由于MOS跨导较小，输入级的差分增益不是很大，这样第二级引起的失调折合到输入端的失调电压不能忽略。

若输入对管M1、M2和电流源对管M3、M4是对称的，则输入电压为零时，M3管的漏源电压与M4管的漏源电压相等，由图3.2-1可得

由于M3、M4和M5管的工艺参数、阈值电压相同，则根据MOS管的电流表示式以及（3.2-2）式，可得

CMOS运放

显然要使失调电压为零，应使M5管的电流Io与M7管的电流IT相同，而M7管与输入级差分放大器的电流源管M5是同一偏置电压，故Io（M5管的工作电流）与IT有如下关系：

CMOS运放

因，则由（3.2-4）、（3.2-5）式可得

CMOS运放

因，上式也可写成

CMOS运放

因此，若使（M3+M4）与M6的沟道宽长比的比例与M5、M7的沟道宽长比的比例相等，后级对输入失调电压就没有影响。倘若这些比例失配或有关管子的阈值电压失配，就会引起输入失调电压的增加。但是，若输入级的差分放大器的增益较大时，后级失配所引起的失调可以减小。放大器的MOS管的沟道宽长比确定以后，再根据电压增益、输出动态幅度等要求，确定工作电流。工作电流由偏置电路来提供。下面讨论如何确定CMOS运放的工作点，并介绍MOS管的参数选择（主要是沟道的宽长比）。