11 经典双极输出级与 CMOS 和双极轨到轨输出级

图 11-1 比较了经典双极输出级与 CMOS 和双极轨到轨输出级。经典双极输出摆幅受到 Q1 基极到发射极压降和 Q3 饱和的限制。此配置有时称为共发射极推挽输出。轨到轨双极输出级使用共集电极配置。轨到轨双极共集电极电路的输出摆幅限制是输出晶体管的饱和电压。对于双极器件，饱和电压介于 0.2V 和 0.3V 之间。因此，对于双极轨到轨，最佳输出摆幅约为距离电源轨 0.2V。

当 MOS 晶体管被驱动进入三极管或欧姆区域 (V_DS ≤ V_SAT) 时，轨到轨 CMOS 共漏极配置只受压降的限制⁽¹⁾.该最小电压由晶体管的物理尺寸（沟道宽度/长度）决定。尺寸决定晶体管在完全导通时出现的最小电阻。该示例显示了到正电源轨的输出摆幅受到 PMOS 输出晶体管最小漏源电压的限制。电压取决于流过晶体管的电流和晶体管的电阻。大型 (W/L) 输出晶体管具有低阻值，如果输出电流低，则可能具有非常低的压降。当输出电流低时，CMOS 输出级的输出摆幅在距电源轨数毫伏范围以内的情况并不罕见。但是，增加负载电流会导致输出晶体管上产生更大的压降，因此输出摆幅会降低。

图 11-1 经典双极输出级与 CMOS 和双极轨到轨输出级

双极器件和 CMOS 器件之间的一个主要区别是，CMOS 器件在完全导通时类似于电阻器，而双极器件具有 0.2V 的饱和电压，该电压在不同的电流下相对恒定。对于低输出电流，CMOS 轨到轨器件的摆幅可以非常接近电源轨，而双极器件会受到 0.2V 饱和电压的限制。但是，在较高的电流下，CMOS 上的输出摆幅会降低，但双极输出摆幅会在 0.2V 下保持相对恒定。如图 11-2 所示，对于非常低的输出电流，CMOS 器件会在距离电源轨数毫伏范围以内摆动，但在输出电流为 20mA 时，摆幅会下降约 1V。相反，双极器件的输出摆幅在输出电流为 0mA 至 30mA 范围内保持相对恒定。

图 11-2 双极轨到轨与 CMOS 轨到轨

一个常见的要求是设计一个可以一直摆动到电源轨的放大器（摆幅限制为 0V）。遗憾的是，轨到轨输出摆幅是不切实际的。即使输出晶体管的尺寸非常大，也始终需要在输出级中提供输出级偏置电流以实现线性运行。因此，即使负载电流为零，也会有电流流过输出晶体管。该偏置电流会在输出晶体管上产生压降 (V_DS – R_ON × I_Q(OUT)) 并限制输出摆幅。增加输出晶体管的尺寸有助于更大限度地减少此限制，但无法消除输出摆幅限制。此外，从成本和性能的角度来看，输出晶体管的尺寸存在实际限制。