模拟集成电路频率特性.ppt

放大器的频率特性,概述密勒效应极点和结点的关联共源级的频率特性源跟随器的频率特性共栅级的频率特性共源共栅级的频率特性差动放大器的频率特性,概述,在单级放大器的低频特性分析中，忽略了器件的负载电容。记入寄生电容后的分析结果复杂、不直观。可采用一些简化电路结构的方法。密勒效应：将二端点X、Y之间的阻抗等效成二端点分别对地的阻抗。,流过Z的电流是,则，有同样的电流流过Z1：,概述,同样的，流过Z2的电流为：,密勒定理没有指出怎样的电路可以等效。因此，并不是所以电路都能用密勒定理等效。例：X和Y间只有一个通路的电路是不能等效的。在阻抗Z和主通路并联的通常情况下，密勒定理是有效的。,如图，可以将输入和输出间的阻抗等效到输入和输出端进行处理。,概述,密勒效应：,如果用密勒定理来获得输入输出传递函数，则，不能用该定理来计算输出阻抗。因为，求传递函数时，求输出阻抗时，外加二种情况下，得到的可能是不同的。,Av和频率有关。在一般的应用中，用低频时的增益近似。,概述,极点和结点的关联：,利用密勒定理，可以将每一结点的阻抗看成结点到地的总电容和总电阻。,A1、A2是理想的，R1、R2是输出电阻，Cin、CN是输入电容，Cp是负载电容。,是一种近似方法，没有考虑零点。,概述,将放大器和输出结点一起考虑：,R、C电路,跨导放大器和输出负载,主极点近似,带宽,单位增益带宽,共源级,电路结构：,CGS和CDB是接地电容。饱和时，CGD在栅极的密勒等效项：,CGD使输入电容增加，带宽下降。,共源级,CGD在漏极的密勒等效项：,近似公式是一个双极点的函数，希望是只有一个主极点。近似公式中没有考虑零点。低频增益近似。,共源级,等效电路：,对X点：,对Vout点：,由上面二方程可得：,共源级,有二个极点，一个零点。是复杂的公式，其中,对分母作适当处理：,假定：,共源级,低频时，跨导还没有下降，可忽略,令:则,当频率上升时，可考虑第二个极点。,若很大，,共源级,结论：当输入RC很大时，输入极点是主极点，结果和近似公式相同。,零点：直观上，CGD提供了一条从输入到输出的前馈通道。高频时：,流过M1和CGD的电流方向相同，大小相反。直观上，,左图是共源级的频率相应曲线。,共源级,另一种近似方法：,忽略输入结点引入的极点（Rs=0），只考虑输出极点，则是单级点函数。输入电容是前级的负载电容。,共源级,若CL是在输出结点上看到的总电容。,带宽,同样可得零点,单位增益带宽,共源级,将结果推广到MOS负载：,带宽：,结论：,共源级,输入阻抗：不再是无限大。,输入阻抗：不再是无限大。,输入阻抗是一个电容。,高频时，如图,共源级,低频时，s很小，,若CGD很大，则零点不能忽略。前馈通路近似为短路,源跟随器,源跟随器作为输出级（缓冲、电平移位）时，负载一般是电容。,输入可能是高增益级的输出阻抗，但可以和输入电容一起看作前级的输出极点。X和Y之间的CGS使二极点的相互作用很大，二极点难以和结点对应。因为：Rs和CGS的值都很大，造成overshoot和ringing。,假定Rs=0，则忽略一个极点，频率特性是一个单极点函数。,源跟随器,小信号分析：,一个极点：,一个零点：在左半平面。,高频时，通过CGS的直馈通路和通过M1的信号极性相同,源跟随器,输入阻抗：,CGD是输入到地的电容，可先忽略。求得的输入阻抗和CGD并联得到总的阻抗。高频时：,CGS和CL串联，再和一个负阻串联。,源跟随器,输出阻抗：,在输出结点并联的元件有：,忽略上述并联项，忽略,由小信号等效电路，得到：,低频时，,高频时，,一般情况下，电路作为缓冲器，Rs很大，输出阻抗随频率上升而增加。,源跟随器,输出阻抗的电感等效：,输出阻抗可写为：,若源跟随器的前级输出阻抗很大，则源跟随器的输出阻抗表现出电感现象。带大电容负载时，阶跃响应为减幅震荡。,共栅级,若忽略沟道长度调制效应，输入输出结点是“孤立”的，易达到宽带。,交流接地,引入二个极点，没有直馈通路，没有零点,共栅级,若计入沟道长度调制效应，输入输出结点不是“孤立”的。输入阻抗与输出结点有关，很难把极点和结点对应。,例6.7给出了传递函数和输入阻抗的推导结果。,输入阻抗：,当CL或s很大时，输入阻抗约为：,输出阻抗和共源共栅级相似，在下面讨论。,共源共栅级,通过共栅器件M2抑制结点X的密勒效应，提高带宽。,对M1而言，X点的负载电阻是，,M1的输入密勒项为：,共源共栅级,多了一个内部结点X：,输出结点：,有三个极点，其中一般不考虑。设计时选择在高频处。则：是主极点，传输函数是单极点函数。,共源共栅级,若RD由M3来代替，考虑和,而因为X点的负载电阻,共源共栅级,若要满足电路的相位补偿条件，必须：,调节满足电路的相位补偿条件。,共源共栅级的输出阻抗忽略Cy和CGD1，则输出阻抗相当于源极负反馈的共源级的情况。,有一个极点，对电流源的应用有影响。,差动对,可分别讨论差分信号和共模信号的频率特性。,对于双端输出的对称差动对可采用半边电路等效，则频率特性和共源级相同。例如:输入结点有密勒项,可以近似得到：,共模频率特性如果只考虑，则可利用差分对公式,差动对,一般要求M3在饱和区内，I很大，VDS很小。,即M3的宽长比很大，寄生电容很大。,代表输出（差模）极点，代表P点（共模）极点。,共模抑制比下降不明显。,差动对,高阻抗负载的情况,对偏置点G，M3、M4将大小相等，方向相反的电流导入G，则G点可近似交流接地。负载电容是各管的漏级电容和栅漏交叠电容。,上述公式可适用。,很大，很大，则输出极点是主极点。,差动对,CMOS差动对,和双端输出（全对称）的电路相比，引入了一个镜像极点E。,输出极点,差动对,零点：电路从输入到输出有二个通道，引入了零点对通道M1、M3、M4:对通道M2:,零点在左半平面。,主极点近似,例1：电流漏共源级的性能,已知：W1=2m,L1=1m,W2=1m,L2=1m,VDD=5,VGG1=3v,Cgd1=Cgd2100fF,Cbd1=200fF,Cbd2=100fF,Cgs2=200fF,CL=1pF。计算输出摆幅和小信号性能。,例2：CMOS差动对的性能,已知：VDD=-VSS=2.5V,SR10V/s(CL=5pF),Pdiss1mW.f-3dB100kHz(CL=5pF),Av=100V/V,-1.5VICMR2V参数：KN=110A/V2,KP=50A/V2,VTN=0.7V,VTP=-0.7V