跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建

跨导运算放大器

2.1 CMOS模拟集成电路基本单元

2.1.1 MOS场效应管的基本结构

绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。栅极加有负电压，而N型衬底加有正电压。由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。沟道的宽窄由电场强弱控制。MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。[20,21]

图2.1 MOS场效应管的结构和电路符号

Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor

场效应管有P型和N型之分。这里的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。 2.1.2 MOS场效应管的模型化 2.1.2.1MOS场效应管的大信号模型

MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。以N沟道增强型

MOS

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管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所示。

图2.2 特性曲线和电流方程

Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation

如果栅源偏置电压VGS大于MOS管的阈值电压VT，则在P型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。当漏区相对于源区加一正电压VDS时，在器件内部的沟道中就会产生电流ID。

MOS管的工作状态可分为三个区，即电阻区（线性区）、饱和区和截止区。 （1）截止区： VGS<VT。此时不能产生导电沟道，漏极电流ID＝0。 （2）电阻区：VGS>VT且VDS<VGS－VT。

ID

K'W2

[2(VGS VT)VDS VDS] (2.1) 2L

其中，W是沟道宽度，L是沟道长度，VT阈值电压，K' C0称为跨导参数， 是载流子的沟道迁移率，C0是单位电容的栅电容。

（3）饱和区：VGS>VT且VDS>VGS－VT。临界饱和条件为VDS=VGS-VT，临界饱和时的漏极电流为：

ID

K'W

(VGS VT)2 (2.2) 2L

在饱和区，VDS增大时，ID几乎不变，所以上式也是饱和区的漏极电流一般公式。

当考虑到沟道长度调变效应之后，饱和区的MOS管漏极电流为：

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ID

K'W

(VGS VT)2(1 VDS) (2.3) 2L

其中，λ为沟道长度调制系数，对于长度为L的MOS管，其大信号特性可近似认为λ是常数，并只取决于生产工艺，而与ID无关。[22,23] 2.1.2.2 MOS场效应管的小信号模型

输入信号的幅度与电源电压相比较一般很小，它在直流偏置工作点附近变化时，可以近似认为器件工作在线性区间。大信号特性可以确定器件的直流工作点，小信号特性可以用来设计器件和电路的性能。

MOS管的小信号模型可以直接由直流模型得出。在大多数应用中，MOS管被偏置在饱和区工作，考虑到栅源、栅漏及漏源之间的寄生电容，MOS管的饱和区小信号模型如图2.3所示。

gm

ID

(2.4) VGS

式中， gm为跨导，表征输入电压对输出电流的控制能力。 对于在饱和区工作的模型参数，应用式2.2和2.4得： gm

2K'W

ID (2.5) L

其中，ID是漏极的直流电流。

G

图2.3 小信号模型 Fig.2.3 Small signal model

当电路在低频工作时可以不考虑这些寄生电容的影响，此时的小信号等效电路如图2.4所示。

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图2.4不考虑电容影响的小信号等效电路

Fig.2.4 Small signal equivalent circuit that do’t consider capacitance affects

2.1.3 CMOS电流镜

电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件，在传统的电压模式运算放大器设计中，电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。 2.1.3.1 基本CMOS电流镜

IR

VSS

IRIO

(a)基本NMOS电流镜 （b）基本PMOS电流镜

图2.5 基本CMOS电流镜

Fig.2.5 Fundamental CMOS electric current mirror

基本CMOS电流镜如图2.5所示，其中图(a)为NMOS电流镜，图(b)为PMOS电流镜。在图(a)中，M1的栅源短接，VDSI>VGS - VTI，所以Ml总工作于饱和区。只要VDS2>VDS1-VT2，M2也工作于饱和区，漏极的交流输出电阻很高，这是图(a)作为电流镜的必要条件。在这个条件下，由式2.3，有：

IO

K2'W2

(VGS2 VT2)2(1 2VDS2) (2.6) 2L2

IR

K1'W1

(VGS1 VT1)2(1 1VDS1) (2.7) 2L1

如果Ml与M2完全匹配，有K1'' K2'，VT1=VT2，，λ1＝λ2 =λ，则：

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IOW2L1(1 VDS2)

(2.8)

IRW1L2(1 VDS1)

对于基本CMOS电流镜，由于沟道长度调制效应的影响，当MOS管的漏源电压不等时，会引起电流镜电流跟随误差。但由于λ很小，所以误差也很小。 2.1.3.2 CMOS级联电流镜

IR

VSS

IO

图2.6 CMOS级联电流镜

(a)NMOS级联电流镜 (b)PMOS级联电流镜

Fig.2.6 CMOS level unites the voltaic mirror

图2.6为级联电流镜电路图。图中M1与M3级联，M2与M4级联。图2.6(a)为NMOS级联电流镜，图2.6(b)为PMOS级联电流镜。

在图2.6中，有IO=ID2，IR=ID1 ，VGS1=VGS2，由式2.3得：

IOK2'W2L1(1 2VDS2)

(2.9)

IRK1'W1L2(1 1VDS1)

因为M1与M3级联，ID1=ID3，又VDS1=VGS1，VDS3=VGS3，那么当M1与M3的工艺参数相同时，由饱和区漏极电流表达式可知：VGS1＝VGS3 。

M2与M4级联，有ID2=ID4，由饱和区漏极电流表达式可知:VGS2＝VGS4。 对于VDS1、VDS2，有VDS1＝VGS1，VDS2＝VGS3－VGS4＋VGS1 ，又VGS1＝VGS2，可得:VDS1＝VDS2 。

如果M1、M2的工艺参数相等，那么可得：

IOW2L1

(2.10)

IRW1L2

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当

W2W1

时，有：

L2L1

IO IR (2.11)

由于级联电流镜的漏源电压基本相等，其电流跟随特性较好，跟随精度较高。 2.1.4 基本源耦差分对电路的跨导分析

源耦合差分放大器在模拟集成电路中有着广泛的应用，如集成运放的输 …… 此处隐藏：7727字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……