Class-AB输出级静态工作点的偏置设计浅析

前言

采用Class-AB输出级设计的运放可在较低的静态电流下实现轨对轨输出，推挽的输出方式使得其在大信号建立时的电流不受静态电流的限制，可以实现更好的压摆率。

然而，由于Class-AB的输出PMOS和NMOS都受前级信号的控制，相比传统结构输出级只有PMOS或NMOS被前级输入信号控制，其需要更为复杂的偏置或者说控制电路。

在之前笔者的文章中，认为运放静态工作点的设计几乎等于电流镜的设计，本文也将延续这一思路，对Class-AB输出级静态工作点的偏置设计进行浅析，若有不足，欢迎指正。

电路浅析

图1 Class-AB输出级及其偏置

如图1给出了常见的Class-AB输出级及其偏置图。本图中我们暂时忽略运放前一级电路的影响，也就是不管前一级注入的电流，但这不影响本文的主要思路。

首先，我们分析输出级PMOS-MP4和NMOS-MN4的静态栅极电压如何确定：如图所示，NP4和MN4由MN3和MP3组成的浮动电流源进行控制，在静态情况下，MN3和MP3各流过该支路一半的电流，因此其栅源电压是可确定的。

MN3栅极电压由偏置电路确定，其栅极电压减去栅源电压即为其源极电压，也就是MN4的栅极电压，MP4的栅极电压同理；

如果MN3和MN2互为电流镜，即其采用相同的单位MOS管，并联个数之比等于其静态电流之比，那么在不考虑沟长调制和DIBL的情况下，他们的源极电压相同，也就是MN1和MN4的栅极电压相同，如果MN1和MN4也采用相同的单位MOS管，那么两者的电流之比就等于其并联MOS管个数之比，输出级的静态工作电流因此可被确定。采用相同的分析方法，MP1和MP4同理。

因此，MP1和MP4，MN1和MN4虽然栅极没有连接在一起，但是他们在静态工作时也近似互为电流镜。

因此，图1中相同颜色的MOS管互有电流镜，在设计时采用相同的单位MOS管，根据对静态电流的要求去调整并联个数之比即可对输出级和偏置电路进行互相设计。

当然，即使不这样思考，也可以进行电路设计，但是采用电流镜的方式思考，偏置电路和输出级可以更好地匹配，整个电路收到PVT的影响也会更小，版图设计时也可将互有电流镜的MOS画在一起。毕竟，模拟电路设计最重要的一点不就是匹配？

上述分析都基于不考虑沟长调制和DIBL的情况下，实际情况下由于这两种效应的存在，MP1和MP4，MN1和MN4在这样的设计方法下栅极电压并不相等，但是这并不影响运放的性能，毕竟运放大部分情况都是闭环使用，而闭环运放负反馈的自我调节足够克服这些额外的效应，而工程师也不可能违背物理学的规律去做到绝对完美。