跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建Word格式文档下载.docx
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图2.1 MOS场效应管的结构和电路符号
Fig.2.1StructureandcircuitsymbolthatMOSField-EffectTransistor
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。
2.1.2MOS场效应管的模型化
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管为例,特性曲线和电流方程如图2.2所示。
电阻区
饱和区
截止区
图2.2 特性曲线和电流方程
Fig.2.2Characteristicpropertycurveandelectriccurrentequation
如果栅源偏置电压大于MOS管的阈值电压,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时,在器件内部的沟道中就会产生电流。
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。
(2.1)
其中,W是沟道宽度,L是沟道长度,VT阈值电压,称为跨导参数,是载流子的沟道迁移率,是单位电容的栅电容。
(3)饱和区:
VT且VDS>
临界饱和条件为VDS=VGS-VT,临界饱和时的漏极电流为:
(2.2)
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:
(2.3)
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,而与无关。
[22,23]
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。
(2.4)
式中,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:
(2.5)
其中,是漏极的直流电流。
图2.3 小信号模型
Fig.2.3Smallsignalmodel
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。
图2.4不考虑电容影响的小信号等效电路
Fig.2.4Smallsignalequivalentcircuitthatdo’tconsidercapacitanceaffects
2.1.3CMOS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。
基本CMOS电流镜
(a)基本NMOS电流镜(b)基本PMOS电流镜
图2.5 基本CMOS电流镜
Fig.2.5FundamentalCMOSelectriccurrentmirror
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:
(2.6)
(2.7)
如果Ml与M2完全匹配,有,VT1=VT2,,λ1=λ2=λ,则:
(2.8)
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。
CMOS级联电流镜
(a)NMOS级联电流镜(b)PMOS级联电流镜
图2.6 CMOS级联电流镜
Fig.2.6 CMOSlevelunitesthevoltaicmirror
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:
(2.9)
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:
(2.10)
当时,有:
(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,如集成运放的输入级均采用差分放大器的电路结构[24]。
这是因为差分放大器只对差分信号进行放大,而对共模信号可进行抑制,有很强的抗干扰能力,并具有漂移小、级与级间很容易直接耦合等优点。
如图2.7所示为一个基本的MOS源耦合差分对管电路。
图中的M1、M2是完全对称的,其工作电流(IDI、ID2)由电流源Iss提供。
输出电流ID1、ID2的大小依赖于输入电压的差值(Vi1-Vi2),但ID1和ID2之和恒等于电流源Iss,在M1和M2的漏极分别接上电阻负载或MOS管有源负载,即构成差分放大器,由电流输出转换成电压输出,实现电压放大。
图2.7基本源耦合差分放大器电路
Fig.2.7Fundamentalsourcecouplingdifferencesamplifierscircuit
MOS管M1和M2满足理想对称条件,其体效应和沟道长度调制效应均可忽略,并且始终工作在饱和区,则根据MOS管在饱和区的电流方程式有:
(2.12)
(2.13)
式中,
差模输入电压为:
(2.14)
又:
(2.15)
则联立可得:
(2.16)
(2.17)
从而得到源耦合差分对的输出电流为:
(2.18)
跨导:
(2.19)
上式表明,CMOS源耦差分放大器的跨导与Iss的平方根成正比,同时也与K的平方根成正比,可通过调节偏置电流或差分对管沟道宽长比W/L来调节跨导的数值。
2.2MOS-OTA基本电路模型及工作原理
跨导运算放大器,简称OTA(OperationalTransconductanceAmplifier),是一种电压输入、电流输出的电子放大器,可分为双极型和MOS型两种,它们的功能在本质上是相同的,都是线性电压控制电流源。
但是,由于集成工艺和电路设计的不同,产生它们在性能上的一些不同,相对双极型跨导运算放大器而言,CMOS跨导运算放大器的增益值较低,增益可调范围较小,但它的输入阻抗高、功耗低,易与其他电路结合实现CMOS集成系统。
2.2.1OTA的基本概念
OTA的电路符号如图2.8所示。
“-”号代表反相输入端,“+”号代表同相输入端。
IO是输出电流,Iabc是用于调节OTA跨导的外部控制电流。
图2.8OTA的电路符号
Fig.2.8TheOTAcircuitsymbol
理想OTA的传输特性是:
(2.20)
其中,Vid是差模电压,Vp、Vn分别是同相端与反相端电压。
gm是跨导,它是外部控制电流Iabc的函数。
理想OTA的输入和输出阻抗都是无穷大。
2.2.2CMOS-OTA基本电路模型及工作原理
CMOS跨导运算放大器作为一种通用电路单元,在模拟信号处理领域得到广泛应用。
CMOS电路的输入阻抗高,级间连接容易,又特别适用于大规模集成,因而CMOSOTA在集成电路,特别是在集成系统中的位置远比双极型OTA重要。
CMOSOTA的结构框图如图2.9所示[24]:
图2.9CMOS跨导运放结构框图
Fig.2.9StructurediagramofCMOSOTA
由图2.9可知,CMOSOTA的结构由差动式跨导输入级和M1~M4四个电流镜组成。
差动式输入级将输入电压信号变换为电流信号,完成跨导型增益作用;
电流镜M1~M3将双端输出的电流变换为单端输出电流;
电流镜M4将外加偏置电流IB传输到输入级作尾电流,并控制放大器的增益值。
在上述四个电流镜中,M1、M2为P沟道,M3、M4为N沟道。
输出电流IO由下列方程式给出:
(2.21)
式中,、、分别为三个电流镜M1、M2、M3的电流传输比,如果取,则输出电流IO为:
(2.22)
若差动式跨导输入级的增益用gm表示,则跨导运算放大器的输出电流与输入电压关系式为:
(2.23)
(2.24)
式中,Gm是跨导运算放大器增益。
在CMOS跨导运算放大器的电路结构中,差动式跨导输入级是结构的核心部分,也是传输特性非线性误差的主要来源,对跨导运放的性能改善,主要是改善跨导输入级的线性范围和线性程度。
如果跨导运算放大器的增益不是由电流控制,而是由电压控制,即可删去图2.9中的电流镜M4,并在相应位置加入电压控制信号。
由图2.9结构图看出,CMOS跨导运算放大器包含的基本电路是差动式跨导输入级和电流镜。
在跨导输入级中,有基本型源耦差分电路和各种改进型电路,在电流镜电路中,主要有基本电流镜、威尔逊电流镜和共源-共栅电流镜。
2.3CMOS跨导运算放大器Spice建模及其测试
2.3.1Spice概述
Spice是由美国加利福尼亚大学伯克利分校在1972年完成的通用电路分析程序。
Spice是这个程序(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)的缩写。
由于Spice采用完全开放的政策以及
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- 运算放大器 及其 Spice 电路 模型 构建