模拟集成电路 频率响应PPT学习教案

1、会计学1模拟集成电路模拟集成电路 频率响应频率响应2021-7-172 前面我们对各种单级放大器的分析仅集中在前面我们对各种单级放大器的分析仅集中在它们的低频特性上，忽略了器件的寄生电容和负它们的低频特性上，忽略了器件的寄生电容和负载电容的影响。然而在模拟电路中，电路的速度载电容的影响。然而在模拟电路中，电路的速度和其它性能指标是相互影响和相互制约的和其它性能指标是相互影响和相互制约的(如增益如增益，速度，速度；速度速度，功耗，功耗；噪声噪声，速度，速度) ：可以：可以牺牲其它指标来换取高的速度，也可以牺牲速度牺牲其它指标来换取高的速度，也可以牺牲速度指标来换取其它性能指标的改善。因此理解单级

2、指标来换取其它性能指标的改善。因此理解单级放大器的频率响应是深入理解模拟电路的重要基放大器的频率响应是深入理解模拟电路的重要基础。础。第1页/共67页2021-7-1730 0Z Z1 1P P1 1P P2 2S SA A ( (1 1) )Z Z( (S S) )A A( (S S) ) = = =S SS SP P( (S S) )( (1 1 + +) )( (1 1 + +) )在线性系统中在线性系统中, 电容电容C的阻抗用的阻抗用1/SC, 电感电感L的阻抗用的阻抗用SL, 利用利用纯电阻分析方法求得输出电压与输入电压之比即为系统的传纯电阻分析方法求得输出电压与输入电压之比即为系统

3、的传输函数输函数A(S)。即。即:A(S)=V0(S)/Vin(S), 它是算子它是算子S的函数。传输的函数。传输函数具有重要意义，它不仅可以用来分析系统的频率特性，函数具有重要意义，它不仅可以用来分析系统的频率特性，其其L L-1-1( (A(S)()(传输函数的拉普拉斯逆变换传输函数的拉普拉斯逆变换) )就是系统的时域冲就是系统的时域冲击响应，对于任意的输入信号与冲击响应的卷积，就是该输击响应，对于任意的输入信号与冲击响应的卷积，就是该输入信号作用于系统时系统的时域响应。入信号作用于系统时系统的时域响应。右式为一两极点系右式为一两极点系统的传输函数统的传输函数, 式式中中A0为系统的低频为

4、系统的低频增益。增益。第2页/共67页2021-7-1743.在在A(S)令令S=j, 则则| A(j) |的大小即是放大器的相频特性的大小即是放大器的相频特性(即放大器即放大器相移与频率相移与频率f的函数关系的函数关系), 它也是频率它也是频率f的函数。显然的函数。显然, 极点对相位的极点对相位的贡献为负贡献为负, 左半平面的零点对相位的贡献为正左半平面的零点对相位的贡献为正, 左半平面的零点对相左半平面的零点对相位的贡献为负。位的贡献为负。0 0Z Z 1 1P P 1 1P P 2 2S SA A( ( 1 1 ) )Z Z ( ( S S ) )A A ( ( S S ) ) = =

5、=S SS SP P ( ( S S ) )( ( 1 1 + +) ) ( ( 1 1 + +) )1.令令 Z( S)=0, 得零点得零点SZ, 令令 P( S)=0, 得极点得极点SP , 零、极点都是复数零、极点都是复数 。若若Re(SZ) 0, 则称则称SZ为右半平面零点为右半平面零点, 若若Re(SZ) 0, 则称则称SZ为左半平为左半平面零点面零点; 最靠近坐标原点的极点称为最靠近坐标原点的极点称为第一主极点第一主极点，依次类推。，依次类推。稳定稳定系统要求系统要求Re(SP) 1/out , 1/out可以忽略可以忽略，CS放大器表现为一单放大器表现为一单极点特性的放大器，则：

6、极点特性的放大器，则：f3dB =fPin= in /2第19页/共67页2021-7-1721 out = 1/RD(CGD+CDB) ; in=1/RSCGS+CGD(1-AV) ; AV=-gmRD如果如果MOS管所有寄生电容的大小具管所有寄生电容的大小具有相同的数量级，有相同的数量级，RS非常小非常小(输入信号源近似输入信号源近似为理想电压源为理想电压源)，则，则1/inCGD+CDB)该近似结果正是密勒简化该近似结果正是密勒简化“目视目视”结果，该项相对于输入结点，误差显然结果，该项相对于输入结点，误差显然要大一些。然而，在稍后的学习中我们会发现，运算放大器中通常都有一要大一些。然而

7、，在稍后的学习中我们会发现，运算放大器中通常都有一个高阻抗结点个高阻抗结点(该结点的该结点的Rout就是下级的就是下级的RS)，利用密勒电容的倍增效应对利用密勒电容的倍增效应对运放进行频率补偿就是在该高阻抗结点形成一个第一主极点，输出结点的运放进行频率补偿就是在该高阻抗结点形成一个第一主极点，输出结点的影响相对要小得多，而利用密勒定理简化该该高祖抗结点的结果影响相对要小得多，而利用密勒定理简化该该高祖抗结点的结果(相当于相当于CS放大器中的放大器中的fPin)就相当精确了！就相当精确了！第25页/共67页2021-7-1727G GD Dm mz zm mG GD D2 2C Cg gf f

8、. . . . . .g gs sC C1 1C C( (C CR RC CR R) )C CR Rg g( (1 1R Rs s) )C CC CC CC CC C( (C CR RR Rs s) )R Rg g( (s sC CV VV VD DB B) )G GD DD DG GS SS SG GD DD Dm mS SD DB BG GD DS SB BG GS SG GD DG GS SD DS S2 2D Dm mG GD Di i0 0从上面的传输函数中我们发现从上面的传输函数中我们发现CS放大器还存在一个零点，这放大器还存在一个零点，这在密勒简化分析中是没有的，这也是两者间的最

9、大区别。由在密勒简化分析中是没有的，这也是两者间的最大区别。由于零点在运放的稳定性中起着很大的作用，因此在放大器频于零点在运放的稳定性中起着很大的作用，因此在放大器频率特性中不能忽略，但是率特性中不能忽略，但是我们可以利用另外一种方法来求我们可以利用另外一种方法来求CS放大器的零点放大器的零点fZ。根据传输函数零点根据传输函数零点的的定义，的的定义，CS放放大器的零点大器的零点fZ为：为：第26页/共67页2021-7-1728Vin第27页/共67页2021-7-17291 1G GD DZ Zm m 1 1V VC C S S = =g g V Vm mZ ZG GD Dg gS S =

10、=C C零点零点SZ也可以这样求：因为当也可以这样求：因为当S=SZ时，时，Vout(S)/Vin(S)0，也即也即Vout(S) 0，这意味着即这意味着即使此时将输出结点短路，必有使此时将输出结点短路，必有Iout=0。第28页/共67页2021-7-1730没有密勒效应没有密勒效应-CGD 没有接在输出于输入结点之间没有接在输出于输入结点之间 (因因小信号小信号MOS管漏极管漏极D接地接地)。CL 包含如下电容包含如下电容: CSB1, CDB,SS, CGD,SS 下一级的输入电容下一级的输入电容 Cin。因因CGS在输出于输入结点之间在输出于输入结点之间 ， in无法无法“目视目视”。

11、第29页/共67页2021-7-1731L L1 1G GS Sm m 1 1o ou ut tL L1 1o ou ut tm mG GS SC C S SV VC C S S+ +g g V V = =V V C C S S V V = =V Vg g + +C C S Si in nS S1 1G GS S1 1o ou ut tG GD D1 1o ou ut tV V = =R R V VC C S S+ +( (V V + +V V ) )C C S S + +V V + +V VKCL:KVL:第30页/共67页2021-7-1732m mG GS SG GD DG GD DS

12、Sm mL LG GD DG GD DG GS SL LG GS SS S2 2G GS Sm mi i0 0g gC CC CC CR Rg gs s) )C CC CC CC CC C( (C CR Rs ss sC Cg gV VV V) ) f f( (f f , , C CC CC CR Rg g2 2g gf fp p1 1p p2 2G GS SL LG GD DS Sm mm mp p1 1 g gC CC CC CR R2 21 1m mG GS SL LG GD DS S第31页/共67页2021-7-1733第32页/共67页2021-7-1734m mb bm mb b

13、m mG GS Si in n1 1/ /g g/ /g gg g1 1s sC C1 1Z ZL Lm mb bG GS Sm mG GS Si in ns sC Cg g1 1s sC Cg g1 1s sC C1 1Z Z若忽略若忽略CGD:(低频时低频时:gmb|SCL|) C C) )g g/ /( (g gg gC CC C G GD Dm mb bm mm mb bG GS Si in n(与用弥勒定与用弥勒定理时一样理时一样)M1体效应的等效电阻体效应的等效电阻) )s sC C1 1|g g1 1( (sCsCI Ig gI IsCsCI IV VL LmbmbGSGSX X

14、m mX XGSGSX XX XCGS的密勒效应的密勒效应第33页/共67页2021-7-1735L LG GS S2 2m mL LG GS Si in nC CC Cs sg gs sC C1 1s sC C1 1Z Z对于给定的对于给定的S=j , 输入阻抗输入阻抗由由 CGS 、CL 和一个和一个负电阻负电阻 -gm/(CGSCL 2)(S2|s=j =- 2)串串联。联。(高频时高频时:gmb|SCL|)L Lm mb bG GS Sm mG GS Si in ns sC Cg g1 1s sC Cg g1 1s sC C1 1Z Z第34页/共67页2021-7-1736S SR

15、RX XX XO OU UT T/ /I IV VZ ZG GS Sm mG GS SS Ss sC Cg g1 1C Cs sR Rm m1/g1/g(高频时高频时)(低频时低频时)若忽略若忽略CGD和体效应和体效应:X X1 1S SGSGS1 1X X1 1m mGSGS1 1V VV VsRsRC CV VI IV Vg gs sC CV V第35页/共67页2021-7-1737(高频时高频时)(低频时低频时)o ou ut tS SZ ZR Ro ou ut tm m1 1Z Zg g上面那个图像更象是上面那个图像更象是|Zout|=f( )图像？源跟随器作为缓冲图像？源跟随器作为

16、缓冲器工作必然器工作必然1/gm fP,A，fP,X fP,Y ) 。第48页/共67页2021-7-1750 ) )C Cg gg gg g( (1 1 C C2 2R R1 1f fG GD D1 1m mb b2 2m m2 2m m1 1G GS S1 1S SA Ap p, ,GS2GS2SB2SB2DB1DB1GD1GD1mb2mb2m2m2X Xp,p,C CC CC CC C2 2g gg gf fGD2GD2L LDB2DB2D DY Yp,p,C CC CC C2 2R R1 1f f第49页/共67页2021-7-1751第50页/共67页2021-7-1752差动对因差

17、动信号和共模信号的等差动对因差动信号和共模信号的等效电路不一样，故差动响应与共模效电路不一样，故差动响应与共模响应的高频响应应分开分析。响应的高频响应应分开分析。第51页/共67页2021-7-1753基本差分对的半电路同单级基本差分对的半电路同单级CS放大放大器相同，故差分对的差模高频响应器相同，故差分对的差模高频响应同同CS放大器，只是需注意，因电路放大器，只是需注意，因电路完全对称，差分对的极点数等于一完全对称，差分对的极点数等于一条通路的极点数，而不是两条通路条通路的极点数，而不是两条通路中极点数之和。中极点数之和。第52页/共67页2021-7-1754D DSSSSm2m2m1m1

18、m2m2m1m1CMCMin,in,Y YX XDMDMCMCMV,V,R R1 1)R)Rg g(g(gg gg gV VV VV VA ARSS 用用 ro3|(1/CPs)代替代替 , RD 用用 RD|(1/CL s)代替即可得到代替即可得到基本差分对的共模高频响应。基本差分对的共模高频响应。第53页/共67页2021-7-1755) )1 1)r)rg g(g(gC Cr rs s)(1)(1C CsRsR(1(1) )C Csrsr(1(11 1)r)rg g(g(g)R)Rg g(g(g1 1 s sC C1 1|)r)rg g(g(g s sC C1 1|)R)Rg g(g(g

19、V VV VV V(s)(s)A Ao3o3m2m2m1m1P Po3o3L LD DP Po3o3o3o3m2m2m1m1D Dm2m2m1m1P Po3o3m2m2m1m1L LD Dm2m2m1m1CMCMin,in,Y YX XDMDMCMCMV,V,注意该传输函数有一个左半平面的零点注意该传输函数有一个左半平面的零点! AV,CM-DM 在在 fz=1/(2ro3CP)开始以开始以20dB/dec的斜率上升。的斜率上升。第54页/共67页2021-7-1756m m1 1m m2 2D D0 03 3 P PV V, , C CM M- -D DM M0 03 3 P Pm m1 1

20、m mb b1 10 03 3D D L Lm m1 1m mb b1 10 03 3( (g g - -g g ) )R R1 1+ +S Sr r C CA A= =1 1+ +S Sr r C C( (g g + +g g ) )r r + +1 1( (1 1+ +S SR R C C ) )( (1 1+ +) )( (g g + +g g ) )r r + +1 1G GD DD Dm m1 1( (2 2) )D DM MS SG GS SD DD DD DB BG GD Dm m1 1( (2 2) )( (S SC C - -g g) )R RA A = = 1 1+ +S

21、SR R C C + +( (1 1+ +g gR R ) ) 1 1+ +S SR R( (C C + +C C ) ) 在频率在频率 f=fP,DM 差模增益差模增益 ADM 开始下降。开始下降。在频率在频率 f=fZ,CM共模增益共模增益 ACM开始上升。开始上升。从某种意义上说，上面两个频率中更低的一个频率才从某种意义上说，上面两个频率中更低的一个频率才是放大器的带宽。是放大器的带宽。第55页/共67页2021-7-1757基本差分对的共模高频特性一般由节点基本差分对的共模高频特性一般由节点P的的总电容决定。因为为使输出摆幅尽可能大总电容决定。因为为使输出摆幅尽可能大，需，需M1(2)

22、和用作尾电流管的和用作尾电流管的M3过驱动电压过驱动电压尽可能小尽可能小(特别是在低电源电压情况下特别是在低电源电压情况下)，即，即它们的宽长比较大，于是它们的宽长比较大，于是P点的寄生电容可点的寄生电容可能会变得相当大。如果此时输出极点频率能会变得相当大。如果此时输出极点频率(同差模时该节点的极点频率同差模时该节点的极点频率)远大于远大于P点的极点频率点的极点频率(也即也即P点高阻特性明显下降时，输出节点的阻抗还点高阻特性明显下降时，输出节点的阻抗还很高很高)，则此时共模增益，则此时共模增益ADM增加增加，CMRR减小减小(即尾电流阻抗下降导致即尾电流阻抗下降导致CMRR ) ，如果电路失配

23、，共模，如果电路失配，共模差模的转换电平较大，输出端高频电源差模的转换电平较大，输出端高频电源噪声和输入端的共模噪声显著增加。噪声和输入端的共模噪声显著增加。第56页/共67页2021-7-1758CL 包括包括M3、M4的的CGD 和和 CDB差分输出时差分输出时, CGD3 和和 CGD4 感应到节点感应到节点 G的信号大小相等的信号大小相等、方向相反，故、方向相反，故G点小信号时接地。点小信号时接地。也可以理解为也可以理解为M3、M4的栅极接的是一个固定偏置电平，的栅极接的是一个固定偏置电平，它不随输入信号的变化而变化，故它不随输入信号的变化而变化，故G点小信号时接地。点小信号时接地。第

24、57页/共67页2021-7-17591 1) )C C( (C CR RC CR R) )C CR Rg g( (1 1R Rs s) )C CC CC CC CC C( (C CR RR Rs s) )R Rg g( (s sC C( (s s) )V V( (s s) )V VD DB BG GD DD DG GS SS SG GD DD Dm mS SD DB BG GD DS SB BG GS SG GD DG GS SD DS S2 2D Dm mG GD Di in no ou ut t将前面带电阻负载时的传输函数中将前面带电阻负载时的传输函数中的的 RD 用用 ro1|ro3代

25、替即得到恒流源代替即得到恒流源负载的差分对传输函数。负载的差分对传输函数。1.由于由于ro1|ro3和和CL较大，因此较大，因此该节点的极点频率较输入极点该节点的极点频率较输入极点低，是第一主极点。低，是第一主极点。2. fh1/2CL(ro1|ro3 )第58页/共67页2021-7-1760带电流源负载的差分对的共模带电流源负载的差分对的共模响应同带电阻负载差分对的共响应同带电阻负载差分对的共模响应完全一样，只须用模响应完全一样，只须用 ro1|ro3代替代替RD即可。即可。节点节点P形成的极点依然是主极点形成的极点依然是主极点。第59页/共67页2021-7-1761由于由于电路非完全对

26、称，该电电路非完全对称，该电路差模响应有两个极点，一路差模响应有两个极点，一个在输出节点，一个在节点个在输出节点，一个在节点X(注意双端输出时没有这个注意双端输出时没有这个极点极点)，该极点也称，该极点也称“镜像镜像极点极点”。 X gm3/CX， CX是是 X节节点到地的总电容，它点到地的总电容，它包含包含CGS3,CGS4,CDB3,CDB1 和和 CGD1 及及 CGD4的密勒效应。下面的密勒效应。下面来求其传输函数。来求其传输函数。第60页/共67页2021-7-1762第61页/共67页2021-7-1763M4 的小信号电流为的小信号电流为 gm4VE- gm4VE-IX=Vout

27、(CLs+roP-1)L LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmP2 2L LE EoNoNoPoPE EmPmPoNoNmNmNininoutout)C)Cr r2g2g(1(1r r)C)Cr r(2r(2ra a) )r r(r(r2g2gasass sC CC Cr r2r2rs)s)C C(2g(2gr rg gV VV V第62页/共67页2021-7-1764L LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmP2 2L LE EoNoNoPoPE EmPmPoNoNmNmNininoutout)C)Cr r2g2g(1(1r

28、 r)C)Cr r(2r(2ra a) )r r(r(r2g2gasass sC CC Cr r2r2rs)s)C C(2g(2gr rg gV VV V由于镜像极点比输由于镜像极点比输出极点高很多，用出极点高很多，用前面估算极点的方前面估算极点的方法可得：法可得：L LoNoNoPoPL LoNoNmPmPoPoPoPoPoNoNmPmPL LoNoNmPmPoPoPoPoPoNoNmPmPL LoNoNmPmPoPoPE EoPoPoNoNoPoPoNoNmPmPh h)C)Cr r|(r(r1 1C Cr rg g2r2r) )r r(r(r2g2g)C)Cr r2g2g(1(1r r) )r r(r(r2g2g)C)Cr r2g2g(1(1r r)C)Cr r(2r(2r) )r r(r(r2g2gf fL