第九章-高頻放大器設(shè)計(jì)

1、2022-1-21第9章 高頻放大器設(shè)計(jì)張藝蒙張藝蒙西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院2022-1-22高頻放大器l高頻小信號(hào)放大電路分為窄頻帶放大電窄頻帶放大電路路和寬頻帶放大電路寬頻帶放大電路兩大類。l窄頻帶放大電路窄頻帶放大電路對(duì)中心頻率附近的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大, 故不但需要有一定的電壓增益, 而且需要有選頻能力。l寬頻帶放大電路寬頻帶放大電路對(duì)較寬頻帶內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大, 故要求放大電路故要求放大電路的下限截止頻率很低的下限截止頻率很低( (有些要求到零有些要求到零頻即直流頻即直流), ), 上限截止頻率很高上限截止頻率很高2022-1-232022-1-24開路時(shí)間常數(shù)法 開

2、路時(shí)間常數(shù)（OCs)也稱為“零值”時(shí)間常數(shù)。它適合于傳輸函數(shù)只包括極點(diǎn)，零點(diǎn)都在無窮大處，也就是一個(gè)只包含電阻、電源和m個(gè)電容的隨意的線性網(wǎng)絡(luò)，那么： （1）計(jì)算面向每一第j個(gè)電容的等效電阻Rjo，計(jì)算時(shí)去掉所有其它電容計(jì)算時(shí)去掉所有其它電容 （2）對(duì)每個(gè)電容求出積jo=RjoCj (3)求所有m個(gè)這樣的“開路”時(shí)間常數(shù)和 (4)mjjjoesthCR1,1(1)開路時(shí)間常數(shù)法能指出限制帶寬的主要因素（元件）開路時(shí)間常數(shù)法能指出限制帶寬的主要因素（元件）(2)估計(jì)的帶寬往往比較低，精確的計(jì)算需要模擬器估計(jì)的帶寬往往比較低，精確的計(jì)算需要模擬器(3)是高頻模型，低頻零點(diǎn)使計(jì)算不正確，因該去掉那些

3、對(duì)增益增加沒有貢獻(xiàn)的是高頻模型，低頻零點(diǎn)使計(jì)算不正確，因該去掉那些對(duì)增益增加沒有貢獻(xiàn)的耦合電容；耦合電容；（4)時(shí)間常數(shù)和極點(diǎn)不是一一對(duì)應(yīng)的。時(shí)間常數(shù)和極點(diǎn)不是一一對(duì)應(yīng)的。2022-1-25設(shè)計(jì)實(shí)例(3)如圖所示是一個(gè)具有兩個(gè)源跟隨器的共源如圖所示是一個(gè)具有兩個(gè)源跟隨器的共源-共柵放大器共柵放大器通過計(jì)算增益為通過計(jì)算增益為-8。采用開路時(shí)間法計(jì)算得到的。采用開路時(shí)間法計(jì)算得到的BW=2.1Grps（340MHz） 模擬結(jié)果為模擬結(jié)果為540MHz。Rs=2KRL=1KVINM2CL=1pFM3VBIAS5VM43mA3mA采用兩級(jí)或多極放大采用兩級(jí)或多極放大2022-1-269.2 利用零點(diǎn)

4、增大帶寬VoutRCMV1VinL 突破開路時(shí)間常數(shù)的所依賴的條件，擴(kuò)展帶寬的思路： 把零點(diǎn)或復(fù)數(shù)極點(diǎn)引入到傳遞函數(shù)中小心的構(gòu)造一個(gè)高階系統(tǒng)。 -并聯(lián)補(bǔ)償放大器并聯(lián)補(bǔ)償放大器。2022-1-27利用零點(diǎn)增大帶寬右圖是小信號(hào)模型，傳遞函數(shù)vout/iin就是RLC網(wǎng)絡(luò)的阻抗。電感擴(kuò)展帶寬的原理RLC網(wǎng)絡(luò)的阻抗： 除一個(gè)零點(diǎn)外，上式還有兩個(gè)極點(diǎn)（有可能是復(fù)數(shù)），不符合開路時(shí)間常數(shù)的方法。1 1)/(1|)()(2sRCLCsRLsRsCRsLsZVoutC11nR11kI10AdcL110uH放大器增益放大器增益=gm Z(s),下面研究后者和頻率間的函數(shù)關(guān)系。下面研究后者和頻率間的函數(shù)關(guān)系。22

5、22)()1 (1)/()(RCLCRLRjZ2022-1-28利用零點(diǎn)增大帶寬RLRCm/條件條件m歸一化后歸一化后的帶寬的帶寬歸一化后的歸一化后的峰值頻率響峰值頻率響應(yīng)應(yīng)最大帶寬最大帶寬-1.41-1.851.19|Z|=R=1/RC2-1.81.03最大平坦度的頻率響應(yīng)最大平坦度的頻率響應(yīng)-2.41-1.721最佳群延遲最佳群延遲-3.1-1.61無并聯(lián)情況無并聯(lián)情況11提出要求提出要求2022-1-29并聯(lián)補(bǔ)償：一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例 漏端等效電容為1.5pF,負(fù)載電阻為100，設(shè)計(jì)一個(gè)1.5GHz的共源寬帶放大器作為一個(gè)相位調(diào)整信道模塊提高增益。如果沒有電感，則帶寬為1GHz。取m=3.1 則

6、 Ceff=1.5pF0.1KRsVoutVdd4.8nHVinnHCRL8 . 41 . 32圖中帶寬估計(jì)為1.7GHz，而且功耗沒有增加，Q=0.52022-1-210采用零點(diǎn)來抵消極點(diǎn)來增大帶寬CCLRLRsVoutVinR9meg探針頭CprobeCscope1 meg10:1探針頭模型，Rin=10M，帶寬200MHz。零點(diǎn)成峰共源放大器2022-1-211二端口網(wǎng)路帶寬增大電路VoutL2CLRsVinL1RL帶有并聯(lián)和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆糯笃鳑]有L1時(shí)，只采用串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)：L2=R2C/mm=2 最大帶寬為m=3最大平坦群延遲且?guī)挒?.3622022-1-212二端口網(wǎng)路帶寬增大電路Rs

7、CLL3VoutRLL1VinL2并聯(lián)與雙串聯(lián)補(bǔ)償電路流入負(fù)載的電流由于L1的存在而被延遲，加速了負(fù)載電容的充電。最初一段器件只需對(duì)自己的輸出電容充電，因?yàn)長3延遲了電流到網(wǎng)絡(luò)的其他部分。網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容的充電是串行的而不是并行的。增加延遲換取帶寬的提高。2022-1-213反饋 反饋：正反饋、負(fù)反饋 正反饋：振蕩（麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器） 負(fù)反饋：穩(wěn)定（空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫器,高精度信號(hào)處理） 本章只討論負(fù)反饋 反饋的作用： 降低增益靈敏度 改變輸入/輸出阻抗 擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬 抑止非線性2022-1-214反 饋X(s)：輸入信號(hào)：輸入信號(hào)Y(s)：輸出信號(hào)：輸出信號(hào)Y(s)/ X(s)：閉環(huán)閉環(huán)傳輸函數(shù)，傳輸函數(shù)

8、，閉環(huán)增益閉環(huán)增益H(s)：前饋網(wǎng)絡(luò)；：前饋網(wǎng)絡(luò)；開環(huán)開環(huán)傳輸函數(shù)，傳輸函數(shù)，開環(huán)增益開環(huán)增益G(s)：反饋網(wǎng)絡(luò)；若與頻率無關(guān)，可用：反饋網(wǎng)絡(luò)；若與頻率無關(guān)，可用 代替代替H(s) G(s)：環(huán)路增益環(huán)路增益 ：反饋系數(shù)：反饋系數(shù)反饋放大器由前饋網(wǎng)絡(luò)；檢測輸出的方式；反饋網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)生反饋誤差的反饋放大器由前饋網(wǎng)絡(luò)；檢測輸出的方式；反饋網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)生反饋誤差的方式四部分組成。方式四部分組成。H(s)的輸入可以認(rèn)為是“虛地”2022-1-215反饋：閉環(huán)傳輸函數(shù)Y(s) H(s)X(s) G(s)Y(s)Y(s)X(s)H(s)1 G(s)H(s)2022-1-216反饋的特性1：降低增益靈敏度AdAA

9、AdAAdAdAifAAAAXYACLCLCLCL1111) 1A ( 11112A稱為環(huán)路稱為環(huán)路增益增益閉環(huán)增益和精度閉環(huán)增益和精度之間折中之間折中2022-1-217增益靈敏度降低的例子簡單共源級(jí)11211112112111 largefor , 1111omomomINOUToutXXinomXoutrgCCrgCCrgVVsCVVsCVVrgVV以上二式聯(lián)立，得與與gmro1相比，這個(gè)相比，這個(gè)增益的表達(dá)式是兩增益的表達(dá)式是兩個(gè)電容之比，因此個(gè)電容之比，因此增益能更精確控制增益能更精確控制2022-1-218反饋的特性2：改變輸入/輸出阻抗0,0()1XMXXXoutoutXouto

10、ut CLXVVVAVIRRVRRIA 2022-1-219負(fù)反饋改變阻抗的例子共柵電路211211,211112112111121111,111)()()(1CCCRgggIVRCCCRVgggVggICCCRVggCCCVVggRDmmbmXXclosedinDXmbmmXmbmXDXmbmoutPmbmopenin2022-1-220反饋的特性3： 擴(kuò)展帶寬000000000011111111 AsAAsAsAAAAsAAGivenCL2022-1-221帶寬擴(kuò)展前后的波特圖擴(kuò)展后擴(kuò)展前帶寬的增大帶寬的增大來源于反饋來源于反饋降低增益靈降低增益靈敏度的特性敏度的特性單極點(diǎn)系統(tǒng)單極點(diǎn)系統(tǒng)增

11、益與帶寬增益與帶寬的乘積不隨的乘積不隨反饋?zhàn)兓答佔(zhàn)兓?022-1-222反饋的特性4：抑止非線性2022-1-2239.3并聯(lián)-串聯(lián)放大器 不同于我們已經(jīng)學(xué)習(xí)的開環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)寬帶放大器的另一不同于我們已經(jīng)學(xué)習(xí)的開環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)寬帶放大器的另一種方法是采用負(fù)反饋。種方法是采用負(fù)反饋。 并聯(lián)并聯(lián)-串聯(lián)采用了并聯(lián)合串聯(lián)反饋的組合，其主要優(yōu)點(diǎn)是串聯(lián)采用了并聯(lián)合串聯(lián)反饋的組合，其主要優(yōu)點(diǎn)是它的它的輸入輸出阻抗在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)比較恒定，且輸入輸出阻抗在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)比較恒定，且設(shè)計(jì)比較容易設(shè)計(jì)比較容易。RLVinRoutRinRFR1RsVout2022-1-224并聯(lián)-串聯(lián)放大器11,11R

12、RgggmmeffmLFLtestLFLFtesteffmoutRRRvRRRRvgv,LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低頻增益和輸入輸出電阻低頻增益和輸入輸出電阻2022-1-225并聯(lián)-串聯(lián)放大器LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低頻增益和輸入輸出電阻低頻增益和輸入輸出電阻sEsFEseffmSFtesttestoutLELFEvFinRRRRRRgRRivRRR

13、RRRARR)(1)(1,Rin=Rout ？設(shè)計(jì)時(shí)已知設(shè)計(jì)時(shí)已知Av，首先得到，首先得到RF然后計(jì)算然后計(jì)算R12022-1-226并聯(lián)-串聯(lián)放大器 帶寬與輸入輸出阻抗RLVinRoutRinRFR1RsVoutmgsVoutvgdmgsingdmgsVgRCALACRgCCRCgCABW211222022-1-2279.4采用ft倍頻器增大帶寬gdgsmtCCgf2減小輸入電容而不降低跨導(dǎo)，ft就會(huì)增加差分對(duì)是一個(gè)ft的倍頻器達(dá)靈頓對(duì)作為ft的倍頻器Battjes的ft的倍頻器漏源漏ioM1漏M3漏漏M2柵源IbiasM1M3漏漏漏io柵2022-1-2289.5 調(diào)諧放大器 帶單個(gè)調(diào)諧負(fù)

14、載的共源放大器MVoutLCRVin不取決于中心頻率的增益帶不取決于中心頻率的增益帶寬積寬積CgRCRgBWGmm1具有單個(gè)調(diào)諧負(fù)載的放大器具有單個(gè)調(diào)諧負(fù)載的放大器2022-1-229調(diào)諧放大器(1 1 gsmgdeqmgdeqrRgCRgCCVoutVinRMCRsLVoutLVinrggmvgsCgdRsRCCgs2022-1-2309.6 中和與單向化RsCVbiasVinMMVoutLRLMRVinVoutVbiasMCRs具有單個(gè)調(diào)諧負(fù)載的共源-共柵放大器具有單個(gè)調(diào)諧負(fù)載的源極耦合放大器RsC2VinVbiasC3CMRRsRCLL經(jīng)過中和的共源放大器2022-1-231分布式放大器

15、分布式放大器的原理。圖 ( a) 為普通的集總放大器, RG 為柵極偏置電阻, RD 為負(fù)載電阻,W為MOS 管的寬度。圖 ( b) 為電感分布式放大器, 將圖 ( a) 中的MOS 管分為三個(gè)等寬的小MOS 管, 每個(gè)小MOS 管的寬度為原來MOS 寬度的三分之一, 三個(gè)小MOS 之間用電感LO 和LI 連接在一起。在低頻時(shí), 電感LO 和LI 都可以看成短路, 這時(shí)圖 (b)和圖( a) 的電路是等價(jià)的。但是, 在高頻的在高頻的時(shí)候時(shí)候, MOS 管的柵極寄生電容和漏極寄生電容以及輸入輸出部分的電容都可以由電感管的柵極寄生電容和漏極寄生電容以及輸入輸出部分的電容都可以由電感LO 和和LI

16、來吸收。我們稱電感來吸收。我們稱電感LO 和和LI 為人工傳輸線為人工傳輸線, 那么這個(gè)放大器的帶寬就由人工傳輸線的截止頻率那么這個(gè)放大器的帶寬就由人工傳輸線的截止頻率決定。這就是分布式放大器的工作原理。決定。這就是分布式放大器的工作原理。2022-1-232分布式放大器顯然, 我們可以把該原理一般化, 即將MOS 管分為N 個(gè)部分, N個(gè)部分間用電感連接。我們來計(jì)算分為N 個(gè)部分時(shí)的帶寬。輸出傳輸線的特征阻抗是ZTLO, 在低于截止頻率時(shí)是由電感LO 和漏極寄生電容CO/N 決定的( 每級(jí)管子的大小為原來的1/N) 。可以得到如下的關(guān)系:要求傳輸線阻抗和負(fù)載電阻要求傳輸線阻抗和負(fù)載電阻RD

17、相匹配避免反射相匹配避免反射, 我們發(fā)現(xiàn)電感我們發(fā)現(xiàn)電感LO=R2DCO/N 時(shí)滿時(shí)滿足要求。輸出傳輸線的截止頻率可以表示為足要求。輸出傳輸線的截止頻率可以表示為:可見, 輸出截至頻率為普通集總放大器的2N 倍。2022-1-233分布式放大器 如果我們假定輸入傳輸線和輸出傳輸線是一樣的( 即CI=CO, RG=RD, 具有相同的截止頻率和相同的阻抗) , 這樣對(duì)輸入截止頻率也有相同的改善, 則整個(gè)放大器的帶寬擴(kuò)展了2N 倍。 在理論上, 我們可以將放大器分為足夠多級(jí)(N- ) 來實(shí)現(xiàn)帶寬的無限擴(kuò)展, 但是在實(shí)際應(yīng)用中, 級(jí)數(shù)一般被限定在4- 7, 主要是因?yàn)槿斯鬏斁€存在損耗。2022-1-234分布式放大器用一小段傳輸線來代替電感, 如圖所示。在這種情況下傳