Class-AB輸出級(jí)電路淺析

前言

采用Class-AB輸出級(jí)設(shè)計(jì)的運(yùn)放可在較低的靜態(tài)電流下實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌輸出，推挽的輸出方式使得其在大信號(hào)建立時(shí)的電流不受靜態(tài)電流的限制，可以實(shí)現(xiàn)更好的壓擺率。然而，由于Class-AB的輸出PMOS和NMOS都受前級(jí)信號(hào)的控制，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出級(jí)只有PMOS或NMOS被前級(jí)輸入信號(hào)控制，其需要更為復(fù)雜的偏置或者說控制電路。在之前筆者的文章中，認(rèn)為運(yùn)放靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)幾乎等于電流鏡的設(shè)計(jì)，本文也將延續(xù)這一思路，對(duì)Class-AB輸出級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的偏置設(shè)計(jì)進(jìn)行淺析，若有不足，歡迎指正。

電路淺析

圖1 Class-AB輸出級(jí)及其偏置

如圖1給出了常見的Class-AB輸出級(jí)及其偏置圖。本圖中我們暫時(shí)忽略運(yùn)放前一級(jí)電路的影響，也就是不管前一級(jí)注入的電流，但這不影響本文的主要思路。

首先，我們分析輸出級(jí)PMOS-MP4和NMOS-MN4的靜態(tài)柵極電壓如何確定：如圖所示，NP4和MN4由MN3和MP3組成的浮動(dòng)電流源進(jìn)行控制，在靜態(tài)情況下，MN3和MP3各流過該支路一半的電流，因此其柵源電壓是可確定的。MN3柵極電壓由偏置電路確定，其柵極電壓減去柵源電壓即為其源極電壓，也就是MN4的柵極電壓，MP4的柵極電壓同理；

如果MN3和MN2互為電流鏡，即其采用相同的單位MOS管，并聯(lián)個(gè)數(shù)之比等于其靜態(tài)電流之比，那么在不考慮溝長調(diào)制和DIBL的情況下，他們的源極電壓相同，也就是MN1和MN4的柵極電壓相同，如果MN1和MN4也采用相同的單位MOS管，那么兩者的電流之比就等于其并聯(lián)MOS管個(gè)數(shù)之比，輸出級(jí)的靜態(tài)工作電流因此可被確定。采用相同的分析方法，MP1和MP4同理。因此，MP1和MP4，MN1和MN4雖然柵極沒有連接在一起，但是他們?cè)陟o態(tài)工作時(shí)也近似互為電流鏡。

因此，圖1中相同顏色的MOS管互有電流鏡，在設(shè)計(jì)時(shí)采用相同的單位MOS管，根據(jù)對(duì)靜態(tài)電流的要求去調(diào)整并聯(lián)個(gè)數(shù)之比即可對(duì)輸出級(jí)和偏置電路進(jìn)行互相設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，即使不這樣思考，也可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，但是采用電流鏡的方式思考，偏置電路和輸出級(jí)可以更好地匹配，整個(gè)電路收到PVT的影響也會(huì)更小，版圖設(shè)計(jì)時(shí)也可將互有電流鏡的MOS畫在一起。畢竟，模擬電路設(shè)計(jì)最重要的一點(diǎn)不就是匹配？

上述分析都基于不考慮溝長調(diào)制和DIBL的情況下，實(shí)際情況下由于這兩種效應(yīng)的存在，MP1和MP4，MN1和MN4在這樣的設(shè)計(jì)方法下柵極電壓并不相等，但是這并不影響運(yùn)放的性能，畢竟運(yùn)放大部分情況都是閉環(huán)使用，而閉環(huán)運(yùn)放負(fù)反饋的自我調(diào)節(jié)足夠克服這些額外的效應(yīng)，而工程師也不可能違背物理學(xué)的規(guī)律去做到絕對(duì)完美。

總結(jié)

本文淺析了Class-AB輸出級(jí)電路及其偏置設(shè)計(jì)的一些思路和簡單的方法，希望對(duì)讀者有所幫助，本文的不足之處，還請(qǐng)讀者多多包涵和指正。