第6章频率特性-拉扎维.ppt

1、放大器的频率特性,2020/7/9,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 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,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。,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，,证明：,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，

2、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)。,例1,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。,关于密勒定理的说明,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。,关于密勒定理的说明,2020

3、/7/9,概述-极点和结点的关联,8,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”。,1.2 极点和结点的关联,例题6.3,2020/7/9,概述-极点和结点的关联,10,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

4、法。,说明,2020/7/9,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,2020/7/9,共源级的频率特性,12,根据高频小信号等效电路,由上述两个公式，得到,其中,*,传输函数精确计算,2020/7/9,共源级的频率特性,13,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,*,关于传

5、输函数的讨论,2020/7/9,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,*,2020/7/9,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,*,2020/7/9,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,2020/7/9,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

6、）,得到,又由,得到,2020/7/9,源跟随器的频率特性,18,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。,关于传输函数的讨论,2020/7/9,源跟随器的频率特性,19,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。,输入阻抗,2020/7/9,源跟随器的频率特性,20,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，

7、应有1/gmRs,输出阻抗,2020/7/9,源跟随器的频率特性,21,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,输出阻抗,2020/7/9,共栅级放大器,22,输入阻抗,有，,因为,若,则，,负载不一样，输入阻抗不一样；,共栅级放大器的输入阻抗,2020/7/9,共栅级放大器,23,输出阻抗 与计算带负反馈的共源级放大器的输出电阻情况一致。,因此，输出电阻，,2020/7/9,共栅级的频率特性,24,4、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

8、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,共源共栅级在提高放大器的电压增益和提高电流源的输出阻抗方面被证明是十分有用的。 如果把共源共栅看成是共源极和共栅极的级联，则该电路通过抑制密勒效应为共栅极提供速度，并为共源极提供输入阻抗。,4、共栅级的频率特性,X节点电容,首先识别电容,2020/7/9,共源共栅级的频率特性,27,5、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+g

9、mb2),Rx1/(gm2+gmb2),极点：,2020/7/9,差动对的频率特性,28,6、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。,2020/7/9,差动对的频率特性,29,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

10、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,W/L,L,2020/7/9,差动对的频率特性,31,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,2020/7/9,差动对的频率特性,32,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/gmPrOP，,整理，则增益为,2020/7/9,差动对的频率