高速CMOS运放共源-共栅型特点及电路详解

在许多实际应用中，如高速A/D、D/A转换器和高频开关电容滤波器，都要求运放有较频的建立时间。例如，对于高速A/D，D/A转换器来说，运放的建立时间的长短，往往决定了A/D、D/A转换器的转换速度的高低。可以这样说，运放的建立时间越短，则其速度越快。

由本章第三节讨论可知，运放的单位增益带宽越宽、高频极点频率越高则建立时间也越短，因此高速CMOS运放的设计，主要是如何提高单位增益带宽和高频极点须率。CMOS运放共源-共栅。目前高速CMOS运放的电路主要有两种形式：共源-共栅电路结构；电流转换型电路结构。现分别讨论这两种高速CMOS运放电路。

通常的CMOS运放的设计，主要采用二级放大的电路形式，其简化等效电路图如图3.5-1所示。这种电路结构比较简单，而且设计技术已趋成熟，但由于内补偿电容Cc引起的极点决定了运放的单位增益带宽不能很宽，通常约1~2兆赫，从而限制了运放的速度，而本节介绍的单级共源共棚型CMOS运放克服了图3.5-1运放单位增益带宽不宽等缺点，提高了运放的速度，其简化的形式如图3.5-2所示。

为简化起见，假设MOS器件的跨导为gm、输出阻抗为ro、负载为理想的电流源。由图3.5-1和图3.5-2可分别求得二级放大器和单级共源共栅放大器的低频极点P1和高频极点P2，其值列于表3.5-1。

由表3.5-1得。

通常图3.5-2中的分布电容CT是负载电容CL的，因此单级共源共栅放大器的高频极点P2要比二级放大器提高5~10倍。CMOS运放共源-共栅。显然，用单级共源共栅放大器构成的运放其建立时间要比二级放大器构成的运放的建立时间来得短。图3.5-3a~c分别为由单级共源共栅放大器构成的简化运放原理图、简化图和小信号交流等效电路，图中的Rs和RL分别表示电流源有限的输出阻抗。由图C得电压增益为

式中分别是NMOS、PMOS器件的跨导和输出阻抗，Rs，RL是电流源的有限

Rn是从P沟器件的源极看进去的等效阻抗，其值为

如果负载的输出阻抗比MOS管的输出阻抗大得多，那么，单级共源共栅运放的最大增益为

由上式可见，其最大增益与二级运放的直流增益相同。

1、双端输出的共源共栅型运放的特点

图3.5-3所示的运放与常用的两级放大的运放相比，有以下的特点：

（1）由于采用单级共源共栅放大电路形式，因此电路具有很高的次极点频率ω2，相应瞬态响应的建立时间TssT比较小；

（2）用负载电容兼作补偿电容，从而简单地解决了频率补偿问题，并使芯片面积减小；

（3）这种运放的偏置电路比常用的两级运放要复杂。

2、双端输出的共源共栅型运放

为了使单级共源共栅型运放具有较高的增益，其输出级的有源负载可用第二章第二节的高阻电流源。单级共源共栅型运放的实际电路如图3.5-4所示，这是双端输入双端输出的电路形式。

图中M1~M2为输入级差分放大器，M4~M9组成了输出级电路，其中M6、M7为电流源，M8、M9为共棚放大器；M10~M13构成了输出级的有源负载；M14、M15构成共模负反馈电路，为了消除由于共模反馈电路（M14、M15）对电路工作点的影响，在M3的源极接入了M4、M5管，其参数与M14、M15相同。该电路的工作电流由偏置电路提供。现对图3.5-4电路的工作原理及设计方法作些简要说明。在静态条下，M1与M2、M6与M7的工作电流相同，M6，M7的一部分电流流入差分放大器M1、M2另一部分流入共栅电路M8、M9，为保证零输入时，输出端电压也为零，有源负载M10~M13的工作电流应该与M5、M6的电流相同。当正向输入信号作用于输入端M1时，M1电流增加，M2电流减小，因流过M6、M7的电流保持不变，这样，电流减小，M9电流增大，而有源负载是恒流源电路，其电流恒定，因此，在输出端得到的电压与电流和电流的差值成正比，其极性为正。当负向输入信号作用于输入端M1时，在输出端得到的电压为负极性，显然，为了获得较高的电压增益，应提高输入级跨导，加大输出级M8，M9的输出阻抗，并增大有源负载的输出阻抗。CMOS运放共源-共栅。因电流源是串级的，为了获得大的输出幅度，电流源与偏置电路可采用第二章图2.2-8的电路形式，现在简要介绍共模负反馈电路M14、M15的作用，当输出端共模电平增大时，M14、M15的导通电阻减小，流经M10，M12和M11、M13的电流增大，使输出端电平同时下降。反之，使输出端电平上升。因此，共模反馈可稳定工作点，而对输出端的差模信号没有影响。

3、双端输出的共源共栅运放的实际电路

包括偏置电路在内的共源共栅型运放的实际电路图如图3.5-5所示。

图中M1~M3为输入级差分放大器（相当于共源放大器），为了提高输入级的增益和降低噪声，输入管的尺寸应设计得较大。M8、M9为共栅电路；M6，M7以及M10~M13分别构成电流源电路；M14，M15构成共模反馈电路。为获得较高增益，输出级电流源采用第二章第二节图2.2-8的高阻抗、大输出幅度的恒流源电路，n沟道高阻电流源及偏置电路由M10~M13和所构成；p沟道高阻电流源和偏置电路由所组成。图中的为总的偏置电路。

从速度要求、功耗和芯片面积等方面考虑，经设计和计算机模拟，图3.5-5电路中的各管的觉长比如表3.5-2所示，其主要参数列于表3.5-3.

4、单端输出共源共栅型运放电路

在图3.5-5的输出电路作些相应的改动，即可得到单端输出共源共栅型运放电路，具体电路如图3.5-6所示。利用电流源电路，即可将双端输出转换成单端输出，该电路的主要参数及器件的宽长比分别列表3.5-4和表3.5-5.

图3.5-5和图3.5-6共源共栅型MOS运放，其输入级采用n沟MOS差分放大器，若输入级采用p沟MOS差分放大器，则其电路形式如图3.5-7所示。

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