CMOS模拟集成电路—放大器的频率特性资料.ppt

CMOS模拟集成电路设计,放大器的频率特性,2020/5/12,提纲,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（optional）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,2020/5/12,概述,3,1.0波特（Bode）图,1、在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按20dB/dec变化；在每个极点频率处，其斜率按20dB/dec变化。2、对一个在左半平面的极点（零点）频率m，相位约在0.1m处开始下降（上升），在m处经历45（45）的变化，在大约10m处达到90（90）的变化。右半平面的情况，反之。,1、概述,2020/5/12,概述-密勒效应,4,1、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。,2020/5/12,概述-密勒效应,5,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，,2020/5/12,概述-密勒效应,6,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)，因此输入电容等效于CF(1+A)。,2020/5/12,概述-密勒效应,7,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。,2020/5/12,概述-密勒效应,8,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。,2020/5/12,概述-极点和结点的关联,9,1.2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”。,2020/5/12,概述-极点和结点的关联,10,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。,2020/5/12,共源级的频率特性,11,2、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,2020/5/12,共源级的频率特性,12,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,*,2020/5/12,共源级的频率特性,13,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，则第一极点值,*,2020/5/12,共源级的频率特性,14,关于传输函数的讨论（续）根据公式*(教材中的公式6.23)可以计算得到第二个极点,和估算方法得到的结果相同,如果，则第二极点值,*,2020/5/12,共源级的频率特性,15,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,*,2020/5/12,共源级的频率特性,16,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,2020/5/12,源跟随器的频率特性,17,3、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,2020/5/12,源跟随器的频率特性,18,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,传输函数包含一个左半平面零点z=-gm/CGS。由传导的信号与本征晶体管产生的信号以相同的极性相加。,当Rs0时，主极点频率近似为gm/(CL+Cgs)。,2020/5/12,源跟随器的频率特性,19,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。,2020/5/12,源跟随器的频率特性,20,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，Zout1/gm；高频下ZoutRs；由于作为缓冲器工作，应有1/gmRs随频率上升，阻抗变大，感性,2020/5/12,源跟随器的频率特性,21,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,2020/5/12,共栅级的频率特性,22,4、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,2020/5/12,共源共栅级的频率特性,23,5、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),Rx1/(gm2+gmb2),极点：,（若gm1gm2，miller效应倍乘项约为2）,2020/5/12,差动对的频率特性,24,6、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。,2020/5/12,差动对的频率特性,25,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，RSSrO3,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,2020/5/12,差动对的频率特性,26,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,2020/5/12,差动对的频率特性,27,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/gmP1，,2020/5/12,小结,29,