CMOS模拟集成电路设计-ch6放大器的频率特性up.ppt

CMOS模拟集成电路设计 放大器的频率特性 提纲 2020 3 24 2 提纲 1 概述2 共源级的频率特性3 源跟随器的频率特性4 共栅级的频率特性5 共源共栅级的频率特性6 差动对的频率特性 概述 密勒效应 2020 3 24 3 1 概述 1 1密勒效应密勒定理 如果图 a 电路可以转换成图 b 的电路 则Z1 Z 1 Av Z2 Z 1 Av 1 其中Av VY VX 概述 密勒效应 2020 3 24 4 证明 通过阻抗Z由X流向Y的电流等于 VX VY Z 由于这两个电路等效 必定有相等的电流流过Z1 于是 即 同理 概述 密勒效应 2020 3 24 5 例1如图 a 所示的电路 其中电压放大器的增益为 A 该放大器的其它参数是理想的 请计算这个电路的输入电容 从Vin抽取电荷 解 运用密勒定理 把电路转换成图 b 的形式 由于Z 1 CFs 则Z1 1 CFs 1 A 因此输入电容等于CF 1 A 概述 密勒效应 2020 3 24 6 关于密勒定理的说明密勒定理没有规定电路转换成立的条件 若电路不能进行转换 则密勒定理的结果是不成立的 如果阻抗Z在X点和Y点之间只有一个信号通路 则这种转换往往是不成立的 在阻抗Z与信号主通路并联的多数情况下 密勒定理被证明是有用的 概述 密勒效应 2020 3 24 7 关于密勒定理的说明 续 严格地说 密勒定理中的Av VY VX的值必须在所关心的频率下计算 然而采用低频下Av值的近似计算有助于了解电路的特性 如果用密勒定理来获得输入输出的传输函数 则不能同时用该定理来计算输出阻抗 概述 极点和结点的关联 2020 3 24 8 1 2极点和结点的关联A1和A2是理想电压放大器 R1和R2模拟每级的输出电阻 Cin和CN表示每级的输入电容 CP表示负载电容 则该电路的传输函数为 可以把每一个极点和电路的一个结点联系起来 即 j j 1 j 1是从结点j到地 看到 的电容和电阻的乘积 即 电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点 概述 极点和结点的关联 2020 3 24 9 说明通常电路很难等效成上述简化电路的形式 很计算电路的极点 例如下面的电路 同密勒效应一起对电路简化时 常常丢掉传输函数的零点 但极点与结点的关联 及密勒定理 为估算传输函数提供了一种直观的方法 共源级的频率特性 2020 3 24 10 2 共源级的频率特性 传输函数的估算 估算误差 没有考虑电路零点AV采用低频增益 从X到地 看到的 总电容为 输入极点 主极点 的值为 从输出到地 看到的 总电容为 输出极点 推断传输函数为 共源级的频率特性 2020 3 24 11 传输函数精确计算根据高频小信号等效电路 由上述两个公式 得到 其中 共源级的频率特性 2020 3 24 12 关于传输函数的讨论根据公式 教材中的公式6 23 分母写成如下形式 和估算方法得到的结果对比 可见分母多出RD CGD GDB 项 此项通常可以忽略 如果 p2比 p1离原点远得多 则第一极点 共源级的频率特性 2020 3 24 13 关于传输函数的讨论 续 根据公式 教材中的公式6 23 可以计算得到第二个极点 和估算方法得到的结果相同 如果 则 共源级的频率特性 2020 3 24 14 关于传输函数的讨论 续 根据公式 教材中的公式6 23 可以计算得到零点 共源级的频率特性 2020 3 24 15 输入电阻的计算估算方法 一级近似 高频下 考虑输出结点的影响 源跟随器的频率特性 2020 3 24 16 3 源跟随器的频率特性 传输函数由于X点和Y点通过CGS有很强的相互作用 很难把一个极点和结点进行关联 根据高频小信号等效电路 忽略体效应 得到 又由 得到 源跟随器的频率特性 2020 3 24 17 关于传输函数的讨论同样 假设两个极点相距较远 则第一极点的值为 传输函数包含一个零点 z gm CGS 源跟随器的频率特性 2020 3 24 18 输入阻抗CGD与输入并联 计算中先忽略 有 当频率较低时 gmb CLs 上式变成 当频率较高时 gmb CLs 上式变成 说明等效电容等于CGSgmb gm gmb 该结果可以从密勒近似中得到 源跟随器的频率特性 2020 3 24 19 输出阻抗体效应和CSB与输出并联 计算中先忽略 并忽略CGD 低频下 Zout 1 gm 高频下Zout Rs 由于作为缓冲器工作 应有1 gm Rs 源跟随器的频率特性 2020 3 24 20 输出阻抗 续 源跟随器的输出阻抗表现出电感特性 因此 用一个无源网络来等效Zout Z1 当 0时 Z1 R2 1 gm 当 时 Z1 R1 R2 Rs则R1与L并联的表达式为 共栅级的频率特性 2020 3 24 21 4 共栅级的频率特性 传输函数忽略沟道长度调制效应 输入极点 输出极点 没有电容的密勒乘积项 可达到宽带 根据极点和结点的关联 共源共栅级的频率特性 2020 3 24 22 5 共源共栅级的频率特性 极点分析忽略沟道长度调制效应 从X点向上看的电阻 即共栅级的输入电阻为 RD rO2 1 gm2 gmb2 rO2 当RD较小时 约为1 gm2 gmb2 则A点到X的增益为 gm1 gm2 gmb2 Rx 1 gm2 gmb2 极点 差动对的频率特性 2020 3 24 23 6 差动对的频率特性 差动信号的频率响应 半边等效 对差动信号的响应 与共源级的相同 表现为CGD的密勒乘积项 采用共源级的频率特性的分析方法 由于差动对的每一边具有相同的传输函数 因此传输函数中的极点数应是一条通路的极点数 而不是两条通路中极点数之和 差动对的频率特性 2020 3 24 24 共模信号的频率响应 考虑M1和M2失配 根据低频差动对共模响应 第四章4 43公式 共模输入等效电路 以rO3 1 CPs 代替rO3 以RD 1 CLs 代替RD 这里 RSS rO3 此电路存在电压余度与共模抑制比的折中问题 欲 高频时的共模抑制比 要求 CP 即 M3尺寸 但M3消耗的电压余度 导致电压余度 差动对的频率特性 2020 3 24 25 高阻抗负载差动对的频率响应 考虑高阻抗输出负载的差动对 并考虑负载电容CL 包括PMOS的漏结电容和栅漏交叠电容 rO1 rO3的值很大 因此输出极点 rO1 rO3 CL 1成为主极点 G点为交流地 差动对的频率特性 2020 3 24 26 有源电流镜为负载的差动对的频率特性 optional 电流镜引入一个极点 镜像极点 由M3和M4组成的通路包含结点E对应的一个极点 CE包括CGS3 CGS4 CDB3 CDB1 以及CGD1和CGD4的密勒效应 镜像极点 输出极点 戴维南等效 假定1 gmP rOP 整理 则增益为 差动对的频率特性 2020 3 2