【模集】源极跟随器的设计与改进
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3.3 FVF(Flipped Voltage Follower) 9
3.4 三种源极跟随器结构Vin−Vout非线性偏差比较 10
源极跟随器的主要结构如图（1）所示，其在理想情况下的输出电压Vout与输入电压Vin的关系如图（2）所示，可以发现Vout会跟随Vin等幅增大，它们的差值Vin−Vout=VGS不会改变，体现了电压跟随的作用。但是实际情况下，Vout不能忠实地跟随Vin，而会产生一定的偏差，如图（3）所示。请分析带有源极电阻和带有MOS管的源极跟随器线性度和增益的变化趋势，并思考如何改善源极跟随器的线性度，让Vout忠实地跟随Vin发生变化。
待仿真的电路图如下所示，分别是带有源极电阻的源极跟随器、利用MOS管作为偏置电流的源极跟随器以及FVF(Flipped Voltage Follower)，其中FVF可以有效改善源极跟随器的线性度，让Vout忠实地跟随Vin发生变化。
在三个不同结构的源极跟随器中，NMOS管的部分模型参数如表1所示，采用的是tsmc18工艺库。
表1 纳米级NMOS晶体管的模型参数
| 参数 | NMOS |
|---|---|
| W(um) | 2 |
| L(nm) | 180 |
| VTH(mV) | 0.6 |
| Multiplier | 1 |
| Fingers | 1 |
首先可以给出Vout不能忠实地跟随Vin的原因，主要有以下两点：一是漏电流受输入直流电平的强烈影响，因为IDS=12μnCox(WL)n(VGS−VTHN)2，Vin增大，意味着VGS也会增大，导致漏电流增大，进而会使输入输出电压特性呈现非线性偏差。二是因为衬偏效应的影响，以带有源极电阻的源极跟随器的结构为例，大信号分析列出电流方程，通过Vout对Vin求偏导，就可以得出电压增益的具体表达式如下所示：AV=gmRS1+(gm+gmB)RS≈11+η(RS≫gm≫1)，收到衬偏效应的影响，AV最后不能等于1，此外η本身也会随着Vout增大而减小，因此Vout不能忠实地跟随Vin，存在偏差。
对三种不同结构的源极跟随对输入电压Vin进行DC扫描分析，在不同情况下绘制三种不同结构的Vout-Vin曲线以及AV-Vin，分析不同结构的线性度的变化。
图（8）描绘了不同源极电阻RS下的AV*-*Vin曲线，首先可以发现，随着RS的增大，AV有所提高，这是因为RS增大，在源极电阻上的分压会变大，Vout变大，因此增益变大。同时可以发现，随着Vin增大，AV迅速增大，最后增产趋势放缓，逐渐稳定在某一个值附近，但是AV不会到达1，这是因为衬偏效应η的影响。
图（9）中的曲线簇是在通过对MOS管的偏置电压VB进行参数扫描的条件下得到的，扫描范围是0.6V-1.8V（不能低于MOS管的阈值电压），最上面的曲线代表了Vin的变化趋势。从图中可以看出，随着Vin的增大，输入电压与输出电压的差值Vin−Vout并不是不变的，而是逐渐变大的，存在一定的偏差，随着VB的减小，这种偏离程度逐渐变小。以VB=0.6V的最佳情况下进行分析，可以看到，一开始Vin−Vout=0.5V，Vin=1.8V时Vin−Vout=0.8V，差值变化了0.8−0.50.5**=60%，**偏差比带有源极电阻的源极跟随器的偏差来说相对较小，但是仍然很大。
图（10）描绘了不同偏置电压VB下的AV*-*Vin曲线，首先可以发现，随着VB的减小，AV有所提高。同时可以发现，随着Vin增大，AV迅速增大，最后增产趋势放缓，在Vin=1.8V时，AV=0.55，比带有源极电阻的源极跟随器的增益要大。
可以看出，利用MOS管作为电流偏置的源极跟随器相比于带有源极电阻的源极跟随器，在最佳情况下的增益要更大，Vout*-*Vin曲线的偏差更小。
3.3 FVF(Flipped Voltage Follower)
FVF结构的电路图如图（11）所示，该结构可以有效减弱输入电平对漏电流的影响。如果输入电压增大，根据之前的分析可以得到漏电流会增大，但是由于M1管漏极电压的变化与Vin反向，因此M1管漏极电压会降低，此时M2管的栅压会降低，因此流过M2的电流会减小，也就是流过M1的漏电流会减小，有效减弱了电平对漏电流的影响，因此Vout与Vin的偏差会减小，线性度会增加。
图（12）中的曲线簇是在通过对FVF结构中的电流源进行参数扫描的条件下得到的，扫描范围是10μA-190μA，最上面的曲线代表了Vin的变化趋势。从图中可以看出，随着Vin的增大，输入电压与输出电压的差值Vin−Vout在某一个区间内是基本保持不变线性的。以电流源电流10μA的最佳情况下进行分析，可以看到，一开始Vin−Vout=0.5V，Vin=1.8V时Vin−Vout=0.7V，差值变化了0.7−0.50.5**=40%，偏差比利用MOS管作为电流偏置的源极跟随器的偏差来说还要小，但是可以看到，FVF结构Vin−Vout的线性度虽然有较大提升，但是线性范围比较小。**
图（13）描绘了不同电流源电流下的AV*-*Vin曲线，首先可以发现，随着电流源的电流增大，AV有所减小。同时可以发现，AV在Vin达到一定数值后会有下降趋势，比另外两种结构的增益要略微偏小。
表2 三种源极跟随器结构Vin−Vout非线性偏差比较
| 结构 | 带有源极电阻RS | MOS管作电流偏置 | FVF |
|---|---|---|---|
| Vin−Vout偏差程度 | 125% | 60% | 40% |
从三种结构的比较中可以看到，FVF的Vin−Vout偏差程度最小，这是因为FVF的结构可以以有效抑制输入电平对漏电流的影响，让漏电流基本保持稳定。
本实验从源极跟随器的不同结构出发，探讨导致输入输出电压非线性偏差的原因，同时给出了一种新型的FVF结构，可以有效抑制漏电流的变化，使得输入输出电压的偏差程度最小，为以后设计更为复杂的电路奠定了基础。
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