摘要：沃尔曼电路具有较大输出电阻和较小的反馈电容效应，经常在模拟电路中代替场效应管从而得到高性能的电路.首先对常规的沃尔曼电路进行了分析和介绍，然后给出了改进的沃尔曼电路.改进的沃尔曼电路和常规的沃尔曼电路相比，开始调节的阈值电压显着减小.用Multisim对电路进行了仿真，可以看出达到了目的.给出了用改进的沃尔曼电路实现的镜像电流源电路.

　　0 引言

　　所谓沃尔曼电路，就是将场效应管纵向堆积起来，将下面器件的漏极与上面器件的源极连接起来，将上面器件的栅极交流接地，这样连接的场效应管看作一个器件.并以源极接地来使用的电路.

　　沃尔曼电路因为能够大大提高放大电路的增益，以及无需增加额外的电流消耗级就可得到高性能的镜像电流源，从而得到广泛的应用.为了减小在动态损耗，管子工作于临界饱和的区域，所以沃尔曼电路管子的偏置电压很重要.

　　随着场效应管技术的进步，大规模集成电路的特征尺寸越来越小，但是即使在低电压的情况下也会带来沟道长度调制效应和载流子的倍增效应等诸多问题，而直流电压增益的减小会直接影响总的放大电路的增益.用特征尺寸场效应管实现的沃尔曼电路可以同时实现输入/输出高隔离，高输出电阻，宽频带，高直流电压增益和良好的频率响应等特征.镜像电流源任何时候它的输出电流仅仅取决于输入电流，而与输出端的电压无关.输入电流与输出电流的比例取决于场效应管的尺寸比例.电流源电路经常用于模拟电路中，为各级放大电路提供合适的静态电流，或者作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高放大电路的放大能力.

　　1 常规的MOS 沃尔曼电路

　　常规的MOS沃尔曼电路如图1所示，场效应管T3相当于一个放大器，其引入的负反馈稳定输出端场效应管T2偏置电压.为了达到稳定效果，必须让管子工作于合适的区域，T1管开始工作于可变电阻区，电路没有调节功能；进入饱和区后，当输出电压接近0.5 V 时，T3管开始起调节作用.即使T2进入可变电阻区依然有调节作用，但是输出信号的动态范围变大.

　　2 改进的MOS 沃尔曼电路

　　2.1 电路设计

　　改进的MOS沃尔曼电路如图2所示，与普通的沃尔曼电路相比，该电路中的场效应管工作于临界饱和区.

　　两个电路的区别在于：

　　该电路中的T2 管作为输入，输出从T1 管的漏极取出，T3 管由于栅极和漏极短接而一直工作于饱和区，T3和T1有一个共同的栅极，它们的栅源电压相等，如果它们的元件尺寸一致，那么流过两个场效应管的电流相等：

　　式中：β是场效应管的导电性系数，β = KP（W /L），（W/ L）表示场效应管沟道宽度和长度之比；KP称为工艺参数，与工艺技术有关.

　　假设电路中的管子尺寸完全一样，那么输出电流满足以下式：

　　式中：λ是漏源电压增加所引起的沟道长度调制系数.

　　T2堆叠在T1的上面，这种输出结构提高了电路的输出电阻，从而避免了沟道长度调制效应.

　　从电路中可以看出来，因为VDS1和VDS2一直大于VGS1和VGS2,所以T1和T2管一直工作于饱和区.

　　2.2 仿真与比较

　　为了更好地比较两个电路的性能，仿真时所有管子的技术参数完全一样，如表1所示.

　　两个电路的输出电压范围都是0~4 V,VDD为5 V,VSS接地，输出电流曲线如图3所示.

　　可以看出，所设计的沃尔曼电路达到了减小调节阈值电压的目的.常规沃尔曼电路开始调节的门槛电压接近0.5 V,而改进的沃尔曼电路几乎从一开始就开始调节，调节电压接近0 V.

　　3 用改进的MOS沃尔曼电路设计的镜像电流源

　　电流源的电路特点是输出电流稳定，输出交流电阻大.电流源电路经常用于模拟电路中，为各级放大电路提供合适的静态电流，或者作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高放大电路的放大能力.

　　用改进的沃尔曼电路设计的镜像电流源如图4所示.

　　当输入电压为0~5 V 变化时输出电流与输入电流的关系如图5所示，可以看得出该电路是一个性能良好的电流源.该电路无论是正电源还是负电源情况下性能都很良好.

　　4 结语

　　从仿真结果可以看出，动态范围不变的情况下，改进的沃尔曼电路开始调节的阈值电压减小了.用改进的沃尔曼电路设计的镜像电流源当是一个性能良好的电流源.改进的沃尔曼电路可以用来实现镜像电流源电路和电压放大电路从而获得较好的性能.