第九章-高频放大器设计.ppt

2020 4 17 1 第9章高频放大器设计 张艺蒙西安电子科技大学微电子学院zhangyimeng 2020 4 17 2 高频放大器 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类 窄频带放大电路对中心频率附近的微弱信号进行不失真的放大 故不但需要有一定的电压增益 而且需要有选频能力 宽频带放大电路对较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大 故要求放大电路的下限截止频率很低 有些要求到零频即直流 上限截止频率很高 2020 4 17 3 2020 4 17 4 开路时间常数法 开路时间常数 OC s 也称为 零值 时间常数 它适合于传输函数只包括极点 零点都在无穷大处 也就是一个只包含电阻 电源和m个电容的随意的线性网络 那么 1 计算面向每一第j个电容的等效电阻Rjo 计算时去掉所有其它电容 2 对每个电容求出积 jo RjoCj 3 求所有m个这样的 开路 时间常数和 4 1 开路时间常数法能指出限制带宽的主要因素 元件 2 估计的带宽往往比较低 精确的计算需要模拟器 3 是高频模型 低频零点使计算不正确 因该去掉那些对增益增加没有贡献的耦合电容 4 时间常数和极点不是一一对应的 2020 4 17 5 设计实例 3 如图所示是一个具有两个源跟随器的共源 共栅放大器通过计算增益为 8 采用开路时间法计算得到的BW 2 1Grps 340MHz 模拟结果为540MHz 采用两级或多极放大 2020 4 17 6 9 2利用零点增大带宽 突破开路时间常数的所依赖的条件 扩展带宽的思路 把零点或复数极点引入到传递函数中小心的构造一个高阶系统 并联补偿放大器 2020 4 17 7 利用零点增大带宽 右图是小信号模型 传递函数vout iin就是RLC网络的阻抗 电感扩展带宽的原理RLC网络的阻抗 除一个零点外 上式还有两个极点 有可能是复数 不符合开路时间常数的方法 放大器增益 gmZ s 下面研究后者和频率间的函数关系 2020 4 17 8 利用零点增大带宽 提出要求 2020 4 17 9 并联补偿 一个设计实例 漏端等效电容为1 5pF 负载电阻为100 设计一个1 5GHz的共源宽带放大器作为一个相位调整信道模块提高增益 如果没有电感 则带宽为1GHz 取m 3 1则 图中带宽估计为1 7GHz 而且功耗没有增加 Q 0 5 2020 4 17 10 采用零点来抵消极点来增大带宽 10 1探针头模型 Rin 10M 带宽200MHz 零点成峰共源放大器 2020 4 17 11 二端口网路带宽增大电路 带有并联和串联补偿的放大器没有L1时 只采用串联补偿时 L2 R2C mm 2最大带宽为m 3最大平坦群延迟且带宽为1 36 2020 4 17 12 二端口网路带宽增大电路 并联与双串联补偿电路流入负载的电流由于L1的存在而被延迟 加速了负载电容的充电 最初一段器件只需对自己的输出电容充电 因为L3延迟了电流到网络的其他部分 网络对电容的充电是串行的而不是并行的 增加延迟换取带宽的提高 2020 4 17 13 反馈 反馈 正反馈 负反馈正反馈 振荡 麦克风与扬声器 负反馈 稳定 空调自动调温器 高精度信号处理 本章只讨论负反馈反馈的作用 降低增益灵敏度改变输入 输出阻抗扩展系统带宽抑止非线性 2020 4 17 14 反馈 X s 输入信号Y s 输出信号Y s X s 闭环传输函数 闭环增益H s 前馈网络 开环传输函数 开环增益G s 反馈网络 若与频率无关 可用 代替H s G s 环路增益 反馈系数反馈放大器由前馈网络 检测输出的方式 反馈网络和产生反馈误差的方式四部分组成 H s 的输入可以认为是 虚地 2020 4 17 15 反馈 闭环传输函数 2020 4 17 16 反馈的特性1 降低增益灵敏度 A称为环路增益 闭环增益和精度之间折中 2020 4 17 17 增益灵敏度降低的例子 简单共源级 与gmro1相比 这个增益的表达式是两个电容之比 因此增益能更精确控制 2020 4 17 18 反馈的特性2 改变输入 输出阻抗 2020 4 17 19 负反馈改变阻抗的例子 共栅电路 2020 4 17 20 反馈的特性3 扩展带宽 2020 4 17 21 带宽扩展前后的波特图 扩展后 扩展前 带宽的增大来源于反馈降低增益灵敏度的特性 单极点系统增益与带宽的乘积不随反馈变化 2020 4 17 22 反馈的特性4 抑止非线性 2020 4 17 23 9 3并联 串联放大器 不同于我们已经学习的开环结构 设计宽带放大器的另一种方法是采用负反馈 并联 串联采用了并联合串联反馈的组合 其主要优点是它的输入输出阻抗在一个很宽的频率范围内比较恒定 且设计比较容易 2020 4 17 24 并联 串联放大器 低频增益和输入输出电阻 2020 4 17 25 并联 串联放大器 低频增益和输入输出电阻 Rin Rout 设计时已知Av 首先得到RF然后计算R1 2020 4 17 26 并联 串联放大器 带宽与输入输出阻抗 2020 4 17 27 9 4采用ft倍频器增大带宽 减小输入电容而不降低跨导 ft就会增加差分对是一个ft的倍频器达灵顿对作为ft的倍频器Battjes的ft的倍频器 2020 4 17 28 9 5调谐放大器 带单个调谐负载的共源放大器 不取决于中心频率的增益带宽积 具有单个调谐负载的放大器 2020 4 17 29 调谐放大器 2020 4 17 30 9 6中和与单向化 具有单个调谐负载的共源 共栅放大器 具有单个调谐负载的源极耦合放大器 经过中和的共源放大器 2020 4 17 31 分布式放大器 分布式放大器的原理 图 a 为普通的集总放大器 RG为栅极偏置电阻 RD为负载电阻 W为MOS管的宽度 图 b 为电感分布式放大器 将图 a 中的MOS管分为三个等宽的小MOS管 每个小MOS管的宽度为原来MOS宽度的三分之一 三个小MOS之间用电感LO和LI连接在一起 在低频时 电感LO和LI都可以看成短路 这时图 b 和图 a 的电路是等价的 但是 在高频的时候 MOS管的栅极寄生电容和漏极寄生电容以及输入输出部分的电容都可以由电感LO和LI来吸收 我们称电感LO和LI为人工传输线 那么这个放大器的带宽就由人工传输线的截止频率决定 这就是分布式放大器的工作原理 2020 4 17 32 分布式放大器 显然 我们可以把该原理一般化 即将MOS管分为N个部分 N个部分间用电感连接 我们来计算分为N个部分时的带宽 输出传输线的特征阻抗是ZTLO 在低于截止频率时是由电感LO和漏极寄生电容CO N决定的 每级管子的大小为原来的1 N 可以得到如下的关系 要求传输线阻抗和负载电阻RD相匹配避免反射 我们发现电感LO R2D CO N时满足要求 输出传输线的截止频率可以表示为 可见 输出截至频率为普通集总放大器的2N倍 2020 4 17 33 分布式放大器 如果我们假定输入传输线和输出传输线是一样的 即CI CO RG RD 具有相同的截止频率和相同的阻抗 这样对输入截止频率也有相同的改善 则整个放大器的带宽扩展了2N倍 在理论上 我们可以将放大器分为足够多级 N 来实现带宽的无限扩展 但是在实际应用中 级数一般被限定在4 7 主要是因为人工传输线存在损耗 2020 4 17 34 分布式放大器 用一小段传输线来代替电感 如图所示 在这种情况下传输线的特征阻抗低于原来的值 主要是由于MOS管负载电容引起的 可见 分布式放大器是一种有效的扩展带宽的方法