CMOS模擬集成電路課件放大器的頻率響應(yīng)

1、放大器的頻率響應(yīng)CMOS模擬集成電路放大器的頻率響應(yīng)CMOS模擬集成電路2022/9/272Outline7.1 引言7.2 放大器的頻率響應(yīng)7.3 密勒定理7.4 頻率響應(yīng)分析方法7.5 單端放大器的頻率響應(yīng)7.6 差分對(duì)的頻率響應(yīng)2022/9/262Outline7.1 引言2022/9/273電容 (AC) 耦合7.2 放大器的頻率響應(yīng)直接(DC)耦合2022/9/263電容 (AC) 耦合7.2 放大器的頻率2022/9/2747.2.1 低通7.2 放大器的頻率響應(yīng)在s域,一般地，其中2022/9/2647.2.1 低通7.2 放大器的頻率響應(yīng)2022/9/2757.2.1 低通s=

2、j對(duì)增益Av(j)采用增益Avo進(jìn)行歸一化當(dāng) H2022/9/2657.2.1 低通s=j對(duì)增益Av(j2022/9/2767.2.2 高通在s域,一般地,其中2022/9/2667.2.2 高通在s域,一般地,其中2022/9/2777.2.2 高通s=j對(duì)增益Av(j)采用增益Avo進(jìn)行歸一化當(dāng) L2022/9/2677.2.2 高通s=j對(duì)增益Av(j2022/9/2787.2.3 帶通在s域一般地,其中2022/9/2687.2.3 帶通在s域一般地,其中2022/9/2797.2.3 帶通s=j2022/9/2697.2.3 帶通s=j2022/9/27107.2.4 伯德圖(Bod

3、e Plot)1.幅頻特性曲線：每遇到一個(gè)極點(diǎn)頻率，幅頻特性曲線的斜率在原來(lái)的基礎(chǔ)上按20dB/十倍頻程進(jìn)行變化；每遇到一個(gè)零點(diǎn)頻率，幅頻特性曲線的斜率在原來(lái)的基礎(chǔ)上按20dB/十倍頻程進(jìn)行變化。 2相頻特性曲線：對(duì)于復(fù)平面（s平面）中左半平面的極點(diǎn)p和零點(diǎn)z，對(duì)于極點(diǎn)p，相位在0.1p處開始下降，在p處相位角為45，在大于10p處相位角達(dá)到近似90相位角；對(duì)于零點(diǎn)z，相位在0.1z處開始上升，在z處相位角為+45，在大于10z處相位角達(dá)到近似+90相位角。而對(duì)于s平面中右半平面的極點(diǎn)p和零點(diǎn)z，對(duì)相位影響的情況正好和上述相反。2022/9/26107.2.4 伯德圖(Bode Plot202

4、2/9/2711一個(gè)阻抗連接在電壓放大器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間，如果此阻抗可以被兩個(gè)等效阻抗代替一個(gè)連接在輸入端的Zim，另一個(gè)連接在輸出端的Zom，則Zim = Zf/(1 Avo)，Zom= Zf /(1 1/ Avo).7.3 密勒定理2022/9/2611一個(gè)阻抗連接在電壓放大器的輸入側(cè)和輸出2022/9/2712證明: 流經(jīng)Zf的電流為(Vi-Vo)/Zf，兩個(gè)電路是等效的，因此流經(jīng)等效電阻Zim的電流也與之相等，有,即,同理2022/9/2612證明:即,同理2022/9/2713關(guān)于密勒定理需要注意的事項(xiàng) 密勒定理并沒(méi)有規(guī)定這種轉(zhuǎn)換成立的條件。如果輸入輸出之間只有一條信號(hào)通路，則這

5、種轉(zhuǎn)換通常是不成立的。？放大器是理想放大器而且開路電壓增益Avo是在沒(méi)有連接阻抗Zf下的得出的增益，對(duì)于實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生一定的分析誤差，但誤差是可以接受的。在密勒定理中，其中的增益應(yīng)該在所關(guān)心的頻率下進(jìn)行計(jì)算，然而，這將使表達(dá)式變得非常復(fù)雜，因此，一般采用低頻的Avo來(lái)進(jìn)行計(jì)算，便于對(duì)電路的特性進(jìn)行分析。一般來(lái)講，在阻抗Zf與主信號(hào)通路并聯(lián)的情況下，密勒定理通常是有效的。只要放大器沒(méi)有獨(dú)立源，密勒定理被證明是適用的。2022/9/2613關(guān)于密勒定理需要注意的事項(xiàng) ？放大器是2022/9/2714通常情況7.4 頻率響應(yīng)分析方法2022/9/2614通常情況7.4 頻率響應(yīng)分析方法2022/9/

6、27157.4.1 s域傳遞函數(shù)高截止頻率 在直接耦合電路中, 在s域表示,得到傳遞函數(shù)其中 R1 = (Rs | ri) 、 R2= (ro | RL)2022/9/26157.4.1 s域傳遞函數(shù)高截止頻率2022/9/2716對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行討論 分母可以寫出如下形式如果p2遠(yuǎn)離p1，即 |p2| |p1|第一極點(diǎn)頻率第二極點(diǎn)頻率如果2022/9/2616對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行討論如果p2遠(yuǎn)離p1，即2022/9/27177.4.2 s域傳遞函數(shù)低截止頻率 在低頻處，放大器的寄生電容可以認(rèn)為是開路的, 在s域,得到傳遞函數(shù)為得到2022/9/26177.4.2 s域傳遞函數(shù)低截止頻率2022/9/

7、27187.4.3 密勒電容高截止頻率 在直接耦合電路中， 電容Cf會(huì)使得傳輸函數(shù)的分析變得困難。為了簡(jiǎn)化分析，利用密勒定理，誤差較大!2022/9/26187.4.3 密勒電容高截止頻率在直2022/9/27197.4.4 零值方法高截止頻率 假設(shè)放大器有兩個(gè)高拐點(diǎn)頻率, 應(yīng)用 s = j在高3dB頻率處，上式的分母使得或者如果 這樣，高3dB頻率可以通過(guò)所有電容的有效時(shí)間常數(shù)來(lái)確定,也稱“零值時(shí)間常數(shù)法”2022/9/26197.4.4 零值方法高截止頻率假設(shè)2022/9/2720在直接耦合電路中， 應(yīng)用零值方法,Cf和Co開路的等效電路見圖，Ci處看到的電阻為Cf和Ci開路的等效電路如圖

8、，Co處面對(duì)的電阻為7.4.4 零值方法高截止頻率 2022/9/2620在直接耦合電路中， 應(yīng)用零值方法,Cf2022/9/2721Ci和Co開路的等效電路如圖(c)，用電壓源vx代替Cf，如圖(d)所示，其中vi = (Rs | ri)ix，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律（KVL）Cf處看到的戴維南等效電阻為這樣，3dB頻率fH7.4.4 零值方法高截止頻率 在直接耦合電路中， 應(yīng)用零值方法,2022/9/2621Ci和Co開路的等效電路如圖(c)，用2022/9/27227.4.5 短路方法低截止頻率 假設(shè)交流耦合放大器電壓增益有兩個(gè)低拐點(diǎn)頻率, 應(yīng)用 s = j在低3dB頻率處，上式分母使得或如

9、果 低3dB頻率可以通過(guò)所有電容的有效時(shí)間常數(shù)來(lái)確定,也稱“短路時(shí)間常數(shù)法”2022/9/26227.4.5 短路方法低截止頻率 2022/9/27237.5.1 共源極放大器7.5 單端放大器的頻率響應(yīng)2022/9/26237.5.1 共源極放大器7.5 單端放2022/9/27247.5.1 共源極放大器s域傳遞函數(shù)忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，即2022/9/26247.5.1 共源極放大器忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)2022/9/27257.5.1 共源極放大器密勒電容方法從X到地的密勒電容從輸出端口看到的密勒電容忽略如果忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，即對(duì)照傳遞函數(shù)得出的結(jié)果2022/9/26257.5.1 共源極

10、放大器從X到地的密勒2022/9/27267.5.1 共源極放大器零值方法Cgs 看到的電阻Cdb看到的電阻Cgd看到的電阻采用零值方法得到的高截止頻率和s域傳遞函數(shù)方法得到的結(jié)果是一致的忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)2022/9/26267.5.1 共源極放大器Cgs 看到的2022/9/27277.5.2 共漏極放大器S域傳遞函數(shù)這里忽略Cgd, Cgb 和 Csb. 在s域,2022/9/26277.5.2 共漏極放大器這里忽略Cgd2022/9/27287.5.2 共漏極放大器S域傳遞函數(shù)得到忽略 Cgd, Cgb 和 Csb. 2022/9/26287.5.2 共漏極放大器得到忽略 Cg202

11、2/9/27297.5.2 共漏極放大器零值方法考慮Cgd, Cgb 和 Csb.得到2022/9/26297.5.2 共漏極放大器考慮Cgd, 2022/9/27307.5.3 共柵極放大器S域傳遞函數(shù)在s域,得到,2022/9/26307.5.3 共柵極放大器在s域,得到,2022/9/27317.5.4 共源共柵放大器從X點(diǎn)向上看到的電阻，即共柵級(jí)M2的輸入電阻,當(dāng)這樣從輸入到X的增益 共柵管具有“屏蔽”效果, 2022/9/26317.5.4 共源共柵放大器從X點(diǎn)向上看2022/9/27327.6.1 全差分放大器差分信號(hào)的頻率響應(yīng) 7.6 差分對(duì)的頻率響應(yīng)對(duì)于差分信號(hào)，差分信號(hào)的頻率

12、響應(yīng)與共源極放大器是一致的由于差分的兩個(gè)通路具有相同的傳遞函數(shù)，因此零極點(diǎn)的個(gè)數(shù)與單端的是一樣的(不是兩個(gè)通路的總和)。半邊等效2022/9/26327.6.1 全差分放大器7.6 差分對(duì)2022/9/27337.6.1 全差分放大器共模信號(hào)的頻率響應(yīng) 忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)當(dāng) Rs 很小，而ZT 很大時(shí),2022/9/26337.6.1 全差分放大器忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)2022/9/27347.6.1 全差分放大器共模信號(hào)的頻率響應(yīng) 忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)當(dāng) Rs 很小，而ZT 很大時(shí),2022/9/26347.6.1 全差分放大器忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)2022/9/27357.6.2 電流鏡負(fù)載的差分對(duì) 鏡像節(jié)點(diǎn)處電容的影響忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，在s域,M4的柵源電壓等于M3的柵源電壓,以及2022/9/26357.6.2 電流鏡負(fù)載的差分對(duì) 忽略溝2022/9/27367.6.2電流鏡負(fù)載的差分對(duì) 差分信號(hào)的頻率響應(yīng) 這樣忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，在s域,2022/9/26367.6.2電流鏡負(fù)載的差分對(duì) 這樣忽略2022/9/2737小結(jié)頻率響應(yīng)分析方法傳遞函數(shù); 密勒電容; 零值方法; 短路方法。共柵