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,2019/2/21,2,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,2019/2/21,3,1、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,2019/2/21,4,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,2019/2/21,5,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,2019/2/21,6,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,2019/2/21,7,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,2019/2/21,8,1.2 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,2019/2/21,9,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,2019/2/21,10,2、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,2019/2/21,11,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,2019/2/21,12,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,2019/2/21,13,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,2019/2/21,14,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,2019/2/21,15,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,2019/2/21,16,3、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,2019/2/21,17,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,2019/2/21,18,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,2019/2/21,19,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,Zout1/gm;高频下ZoutRs; 由于作为缓冲器工作,应有1/gmRs,源跟随器的频率特性,2019/2/21,20,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,2019/2/21,21,4、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,2019/2/21,22,5、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),Rx1/(gm2+gmb2),极点:,差动对的频率特性,2019/2/21,23,6、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,2019/2/21,24,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,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,差动对的频率特性,2019/2/21,25,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,2019/2/21,26,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/gmPrOP,,整理,则增益为,差动对的频率特性,2019/2/21,27,有源电流镜为负载的差动对的频率特性(续) 讨论,通常,镜像极点在数值上比输出极点大,因此p1,忽略分母第一项,并假定2gmPrON1,,小结,2019/2/21,28,小结,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,