计算机硬件及网络chapter放大器的频率特性.pptx

2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路1主要内容主要内容n密勒定理密勒定理n极点与结点的关联极点与结点的关联n共源级共源级n源跟随器源跟随器n共栅极共栅极n共源共栅极共源共栅极n差动对差动对2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路26.1.1 密勒定理密勒定理密勒定理密勒定理:如果图如果图(a)的电路可以转换成图的电路可以转换成图(b)的电路的电路,则则,其中其中 .,2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路3证明证明:通过阻抗通过阻抗Z由由X流向流向Y的电流等于的电流等于 .由于这两个电路由于这两个电路等效等效,必定有相等的电流流过必定有相等的电流流过Z1.于是有于是有:类似有类似有2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路4什么条件下可以利用密勒定理进行上述转换呢什么条件下可以利用密勒定理进行上述转换呢?a.若阻抗若阻抗Z在在X和和Y点之间只有一个信号通路点之间只有一个信号通路,则转换往往则转换往往不成立不成立.b.阻抗阻抗Z与信号主通路并联的情况下与信号主通路并联的情况下,密勒定理可能成立密勒定理可能成立.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路5练习练习:计算电路的输入电阻计算电路的输入电阻.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路66.1.2 极点与结点的关联极点与结点的关联考考虑虑几几个个放放大大器器的的简简单单级级联联电电路路,如如下下图图所所示示.A1,A2 是是理理想想的的电电压压放放大大器器;R1,R2 是是每每级级的的输输出出电电阻阻;Cin,CN 表表示示每每级级的的输输入入电容电容;CP 表示负载电容表示负载电容.如何写该电路的传输函数如何写该电路的传输函数?2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路72024/4/10 周三CMOS模拟集成电路8极点的确定极点的确定:由由相相应应一一个个结结点点到到地地”看看到到的的”总总电电容容乘乘以以从从这这个个结结点点到到地地看看到到的的总总电电阻阻,得得到到了了时时间间常常数数 ,于于是是可可以以得得到到一一个个极极点的频率点的频率 .电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点.在在许许多多电电路路中中,我我们们可可以以利利用用这这种种极极点点与与结结点点之之间间的的联联系系估估算电路的传输函数算电路的传输函数.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路9例例6.4 忽略沟道长度调制效应忽略沟道长度调制效应,计算电路的传输函数计算电路的传输函数.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路10假定假定:=0,M1工作在饱和区工作在饱和区.6.2 共源级共源级考虑由有限源电阻考虑由有限源电阻RS所驱动的共源所驱动的共源级电路级电路,如如6.10所示所示.a.通过极点与对应结点相关联的方法估算传输函数通过极点与对应结点相关联的方法估算传输函数:从从X点到地看到的总电容为点到地看到的总电容为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路11从输出点到地看到的总电容为从输出点到地看到的总电容为输入极点的值为输入极点的值为(6.1)(6.2)输出极点的值为输出极点的值为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路12若若RS相对较大时相对较大时,电路简化成图电路简化成图6.11的模型的模型(忽略忽略RS的影响的影响).2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路13于是于是,可以得到电路的传输函数可以得到电路的传输函数:主要误差主要误差:a.没有考虑电路零点的存在没有考虑电路零点的存在;b.用低频增益用低频增益 -gmRD 近似放大器的增益近似放大器的增益.由于输出结点的电由于输出结点的电容等原因容等原因,放大器的增益会随频率变化放大器的增益会随频率变化.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路14b.利用等效电路求精确的传输函数利用等效电路求精确的传输函数.(6.19)(6.20)从式从式(6.20)可得可得(6.21)2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路15将式将式(6.21)代入式代入式(6.19)得到得到(6.22)也就是也就是(6.23)其中其中,2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路16将传输函数的分母写成下面的形式将传输函数的分母写成下面的形式:若若,即即 比比 远离原点远离原点,则则s的系数近似等于的系数近似等于,于是得到于是得到与与(6.1)式比较可知式比较可知,与输入结点关联的极点的直观方法可近似与输入结点关联的极点的直观方法可近似计算极点计算极点,且可用且可用放大器的低频增益放大器的低频增益计算计算 CGD 的密勒乘积项的密勒乘积项.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路17第二极点为第二极点为若若,则则2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路18式式(6.23)的传输函数显示有一个零点的传输函数显示有一个零点,它是由于输它是由于输入和输出通过入和输出通过 CGD 直接耦合产生的直接耦合产生的.根据传输函数可知根据传输函数可知,当当 时时,即输出接地即输出接地,且输出短路电流为且输出短路电流为0,则有则有如何计算零点如何计算零点?2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路19例例6.5 ,计算电路的传输函数计算电路的传输函数(课后练习课后练习)2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路20输入阻抗的计算输入阻抗的计算a.近似计算近似计算:根据密勒定理可以得到根据密勒定理可以得到b.高频时高频时,考虑输出结点对输入的影响考虑输出结点对输入的影响总的输入阻抗为上式与总的输入阻抗为上式与 的并联的并联.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路216.3 源跟随器源跟随器(a)考虑右图所示的电路考虑右图所示的电路,如何利用如何利用密勒定理密勒定理,求输入结点的总电容求输入结点的总电容?源跟随器的低频增益为源跟随器的低频增益为CGS在输入结点的密勒项为在输入结点的密勒项为总的输入电容为总的输入电容为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路22(b)利用等效电路求源跟随器的传输函数利用等效电路求源跟随器的传输函数().列输出结点的列输出结点的KCL方程方程,有有列输入回路的列输入回路的KVL方程方程,有有2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路23于是得到电路的传输函数为于是得到电路的传输函数为假设两个极点相距较远假设两个极点相距较远,则主极点的值为则主极点的值为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路24(CGD与输入并联与输入并联,先忽略先忽略.)(c)电路的输入阻抗电路的输入阻抗2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路25由上面的表达式可以看出由上面的表达式可以看出,对给定的对给定的 ,输入阻抗呈现负输入阻抗呈现负阻特性阻特性.负电阻为负电阻为等效输入电容为等效输入电容为 ,与密勒定理计算结果与密勒定理计算结果一致一致.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路26(d)电路的输出阻抗电路的输出阻抗忽忽略略体体效效应应和和CSB产产生生的的与与输输出出并并联联的的阻阻抗抗,且忽略且忽略CGD.于是得到等效电路如图于是得到等效电路如图.当当很低时很低时,当当很高时很高时,2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路27例题例题:求电路的传输函数求电路的传输函数.Y结点的结点的KCL方程方程:2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路28X结点的结点的KCL方程方程:将将V1代入上式代入上式,于是得到传输函数为于是得到传输函数为当当 时时,上述表达式具有与源跟随器的传输函数相同的上述表达式具有与源跟随器的传输函数相同的形式形式.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路296.4 共栅级共栅级a.忽略沟长调制效应忽略沟长调制效应,可得到电路的传输函数为可得到电路的传输函数为该电路的优点该电路的优点:没有电容的密勒乘积项没有电容的密勒乘积项,可达到宽带可达到宽带.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路30b.输入阻抗输入阻抗时时,电路的输入阻抗为电路的输入阻抗为若若,则则其中其中,Zin取决于取决于ZL,很难将极点与输入结点联系起来很难将极点与输入结点联系起来.要利用等效电要利用等效电路计算传输函数路计算传输函数.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路31例题例题:,计算电路的传输函数和输入阻抗计算电路的传输函数和输入阻抗.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路32s或或CL增加时增加时,于是得到电路的传输函数为于是得到电路的传输函数为电路的输入阻抗为电路的输入阻抗为为什么在高频情况下，为什么在高频情况下，Zin变得与变得与CL无关呢？无关呢？2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路336.5 共源共栅级共源共栅级这种电路结构的特点：这种电路结构的特点：提高放大器的电压增益提高放大器的电压增益提高电流源的输出阻抗提高电流源的输出阻抗输入阻抗高（同输入阻抗高（同CS级）级）M2无密勒效应，速度快无密勒效应，速度快输出、输入隔离作用输出、输入隔离作用2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路34利用密勒定理计算电路的极点利用密勒定理计算电路的极点().对于结点对于结点A:CGD1的密勒项为的密勒项为AV用用X点到点到A点的低频增益近似点的低频增益近似,则则于是得到与结点于是得到与结点A相关联的极点为相关联的极点为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路35X点点“看到地看到地”的电阻为的电阻为X点点“看到地看到地”的电容为的电容为与结点与结点X相关联的极点为相关联的极点为对于结点对于结点X：2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路36对于结点对于结点Y：与结点与结点Y相关联的极点为相关联的极点为Y点点“看到地看到地”的电容为的电容为2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路37例题例题:忽略与忽略与M1有关的电容有关的电容,假设假设 ,计算传输函数计算传输函数.2024/4/10 周三CMOS模拟集成电路38于是得到于是得到传输函数为传输函数为2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路39忽略忽略CGD1和和CY,求电路的求电路的输出阻抗输出阻抗.可见可见,包含一个极点包含一个极点当当2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路406.6 差动对差动对a.基本差动对的基本差动对的差模信号差模信号的频率特性的频率特性.差模信号的频率特性差模信号的频率特性:利用半边电路的概念利用半边电路的概念,我们可以知道差模响我们可以知道差模响应与共源级相同应与共源级相同,且极点数相同且极点数相同.2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路41对于共模信号对于共模信号,我们得到如图所示的等效电路我们得到如图所示的等效电路:b.基本差动对的基本差动对的共模信号共模信号的频率特性的频率特性.电路完全对称时电路完全对称时,忽略沟长调制效应忽略沟长调制效应,电路的共模增益为电路的共模增益为2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路42考虑考虑M1与与M2的失配的失配,即即 gm1gm2 的的情况情况,高频共模增益可用下式进行计高频共模增益可用下式进行计算算:其中其中于是得到共模电压增益为于是得到共模电压增益为2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路43c.高阻抗负载的差动对的频率响应高阻抗负载的差动对的频率响应2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路44d.以有源电流镜为负载的差动对的频率响应以有源电流镜为负载的差动对的频率响应结点结点E:结点结点out:镜像极点镜像极点2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路45传输函数的计算传输函数的计算2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路46例例6.9 ,估计电路的低频增益和传输函数估计电路的低频增益和传输函数.电路的低频增益为电路的低频增益为2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路47CGD5在在X处的密勒项为处的密勒项为M5、CL、RD构成共源放大器，低频增益为构成共源放大器，低频增益为CGD5在在Y处的密勒项为处的密勒项为将将M3等效为电阻，得到等效电路。等效为电阻，得到等效电路。利用半边电路求传输函数：利用半边电路求传输函数：2024/4/11 周四CMOS模拟集成电路482024/4/11 周四CMOS模拟集成电路49习题习题n6.4n6.9(a)(b)n6.15