模拟集成电路频率特性1课件.ppt

1、概述在单级放大器的低频特性分析中，忽略了器件的负载电容。记入寄生电容后的分析结果复杂、不直观。可采用一些简化电路结构的方法。密勒效应：将二端点X、Y之间的阻抗等效成二端点分别对地 的阻抗。流过Z的电流是ZVVyx则，有同样的电流流过Z1：ZVVZVyxx1VxyAZVVZZ111概述同样的，流过Z2的电流为：12211VyxyxyAZVVZZZVVZV1)密勒定理没有指出怎样的电路可以等效。因此，并不是所以电路都能用密勒定理等效。例：X和Y间只有一个通路的电路是不能等效的。2)在阻抗Z和主通路并联的通常情况下，密勒定理是有效的。如图，可以将输入和输出间的阻抗等效到输入和输出端进行处理。概述密勒

2、效应：3)如果用密勒定理来获得输入输出传递函数，则，不能用该定理来计算输出阻抗。因为，求传递函数时，求输出阻抗时，外加 二种情况下，得到的 可能是不同的。0inV0inVoutVyxVVVA 4)Av和频率有关。在一般的应用中，用低频时的增益近似。概述极点和结点的关联：利用密勒定理，可以将每一结点的阻抗看成结点到地的总电容和总电阻。A1、A2是理想的，R1、R2是输出电阻，Cin、CN是输入电容，Cp是负载电容。sCRsCRAsCRAsVVpNinsinout21211111是一种近似方法，没有考虑零点。概述将放大器和输出结点一起考虑：a)R、C电路 RCssCRsCsVVinout1111b

3、)跨导放大器和输出负载sCRRgsCRsCRgCRgALLLmLLmLLmV1111/c)主极点近似,1RC带宽,212RCf单位增益带宽.2 RCAo共源级电路结构：CGS和CDB是接地电容。饱和时，CGD在栅极的密勒等效项：sCRgsCAZGDDmGDV111111GDDmGSinCRgCC1CGD使输入电容增加，带宽下降。GDDmGSsinCRgCR11ovsoxGSCCC32ovdGDCCLjswjDBCCCC00共源级CGD在漏极的密勒等效项：sCsCRgsCAZGDGDDmGDV1/11111112GDDBDCCCGDDBDoutCCR1 outinDminoutssRgsVV/1

4、/1近似公式是一个双极点的函数，希望是只有一个主极点。近似公式中没有考虑零点。低频增益近似。共源级等效电路：inVinmVgDRoutVDBCGDCGSCSRX对X点：0sCVVsCVRVVGDoutxGSxsinx对Vout点：01sCRVVgsCVVDBDoutxmGDxout由上面二方程可得：211bsasgCsRgsVVmGDDminout共源级有二个极点，一个零点。是复杂的公式，其中DBGDDDmGDGSsCCRRgCCRa1GDDBDBGSGDGSDsCCCCCCRRb对分母作适当处理：111112121221ssssDpppppp假定：21pp111212ssDpppDBGDDD

5、mGDGSspCCRRgCCRa1111共源级低频时，跨导还没有下降，可忽略 asRgsVVDminout112,bssgCmGD令:则2133dBdBjAjsadB13当频率上升时，可考虑第二个极点。bpp211DBGDGSDBGSGDDsDBGDDGSGDDmsppCCCCCCRRCCRCCRgRb1112若 很大，GSCDBGDDGSDBGSGDDsGSspCCRCCCCRRCR12共源级结论：当输入RC很大时，输入极点是主极点，结果和近似公式相同。零点：直观上，CGD 提供了一 条 从输入到输出的前馈通道。高频时：0inoutGDmzVVCg流过M1和CGD的电流方向相同，大小相反。直

6、观上，00zVVVoutinoutGDmzGSzGDGSmCgsVsCVg左图是共源级的频率相应曲线。共源级另一种近似方法：inVinmVgDRoutVDCGDC忽略输入结点引入的极点（Rs=0），只考虑输出极点，则是单级点函数。输入电容是前级的负载电容。GDDmGSCRgC 1LDBDCCCoutDDinmGDoutinVsCRVgsCVV1 sCCRsCgRgsCCRsCgsVVGDDDGDmDmGDDDGDminout111LDBGDDDGDDCCCRCCR111共源级a)若 CL 是在输出结点上看到的总电容。GDDBLCCCLDLDBGDDCRCCCR111带宽LDCRBW2121b)

7、同样可得零点GDmzCg很大，可忽略。很小，zOVDGDCC sCCRRgsVVGDDDDminout1c)单位增益带宽LmLmLDDmCgGBWCgsCRRg211共源级将结果推广到MOS负载：2121LGDGDDBDBLCCCCCCIIIrrRooD21212111/1/带宽：LLooCICrrBW2/212121结论：IBW LmVCgBWAGBW2共源级输入阻抗：不再是无限大。输入阻抗：不再是无限大。1)输入阻抗是一个电容。GDDmGSinCRgCC12)高频时，如图xVinmVgDRoutVDCGDCxI sCRRVgIsCIVDBDDxmxGDxx1ssCRRgCsCCRZDBDD

8、mGDDBGDDin11sCZZGSinin1/共源级低频时，s很小，sRgCssCRRgCsCCRZDmGDDBDDmGDDBGDDin11111sCCRDBGDD1sCRDBD3)若CGD很大，则零点不能忽略。前馈通路近似为短路DmGSinRgsCZ/1/1源跟随器 源跟随器作为输出级（缓冲、电平移位）时，负载一般是电容。输入可能是高增益级的输出阻抗，但可以和输入电容一起看作前级的输出极点。X和Y之间的CGS使二极点的相互作用很大，二极点难以和结点对应。因为：Rs和CGS的值都很大，造成overshoot 和ringing。假定Rs=0，则忽略一个极点，频率特性是一个单极点函数。源跟随器小

9、信号分析：inVoutinmVVgoutVLCGSCGDCoutinGSoutinmoutLVVsCVVgsVCsgCCsgCsCCgsCgVVmLGSmGSLGSmGSminout11一个极点：LGSmLGSmCCgRCCCg11一个零点：在左半平面。GSmCgs高频时，通过CGS的直馈通路和通过M1的信号极性相同源跟随器输入阻抗：CGD是输入到地的电容，可先忽略。求得的输入阻抗和CGD并联得到总的阻抗。高频时：sCsCgsCgLLmbLmb,outinGSxVVsCIsCsCIgIsCIVLGSxmXGSxin12111111sCCgsCsCsCsCgsCZLGSmLGSLGSmGSinC

10、GS和CL串联，再和一个负阻串联。22LGSmLGSmCCgsCCgjs源跟随器输出阻抗：在输出结点并联的元件有：mSBLgCC1,忽略上述并联项，忽略GDC由小信号等效电路，得到：xmGSIVgsVC11xGSsVsVCRV11mGSGSsxxoutgsCsCRIVZ1低频时，0smoutgZ1高频时，ssoutRZ一般情况下，电路作为缓冲器，Rs很大，输出阻抗随频率上升而增加。源跟随器输出阻抗的电感等效：输出阻抗可写为：mGSmsGSmmGSGSsoutgsCgRsCggsCsCRZ111msmGSmsmgRgsCLgRRgR1,1,112msmGSmsmoutgRgsCgRgZ11111

11、1若源跟随器的前级输出阻抗很大，则源跟随器的输出阻抗表现出电感现象。带大电容负载时，阶跃响应为减幅震荡。共栅级若忽略沟道长度调制效应，输入输出结点是“孤立”的，易达到宽带。GDDBDCCC:bV交流接地11/mbmsSBGSinggRCC引入二个极点，没有直馈通路，没有零点GSSBSCCC:1DGDDBoutRCCsRCCsRggCCRggRggADDBGDsmbmSBGSSmbmDmbmV111111共栅级若计入沟道长度调制效应，输入输出结点不是“孤立”的。输入阻抗与输出结点有关，很难把极点和结点对应。例6.7 给出了传递函数和输入阻抗的推导结果。输入阻抗：srCggrZggZoLmbmoL

12、mbmin11111当CL或s很大时，输入阻抗约为：mbminggZ1输出阻抗和共源共栅级相似，在下面讨论。共源共栅级通过共栅器件M2抑制结点X的密勒效应，提高带宽。对M1而言，X点的负载电阻是，221mbmggM1的输入密勒项为：GDggGDmbmmCCgggmm2121122111122112111GDGSsGDmbmmGSsinCCRCgggCR共源共栅级多了一个内部结点X：22122222GSSBDBGDmbmxmbmxCCCCggCggGDggGDmmbmCCgggmm21211122输出结点：LGDDBDoutCCCR221有三个极点，其中 一般不考虑。设计时 选择在高频处。则：是

13、主极点，传输函数是单极点函数。xoutin共源共栅级若RD由M3来代替，考虑 和 xoutYdsoutCg33322DBGDLGDDBYCCCCCCYoYdsCrCgBW33212YmYomVCgCrrgBWAGBWo2213313而因为 X点的负载电阻 xoomxCrrg1123223211oomrrgR共源共栅级Afoutu若要满足电路的相位补偿条件，必须：YLCCYmxoomCgCrrg2113232调节 满足电路的相位补偿条件。LC共源共栅级的输出阻抗忽略Cy和CGD1，则输出阻抗相当于源极负反馈的共源级的情况。2221oxomoutrZrgZsCrZxox1/1有一个极点，对电流源的

14、应用有影响。outZf差动对可分别讨论差分信号和共模信号的频率特性。对于双端输出的对称差动对 可采用半边电路等效，则频率特性和共源级相同。例如:输入结点有密勒项GDDmCRg1可以近似得到：LmVCgBWAGBW2LDCRBW21 共模频率特性 如果只考虑 ，则可利用差分对公式 mg差动对ssmmDmCMVRggRgA21,1,/sCRRLDD,/3sCrRposssCrggsCRgApommLDmCMV/1/321,a)一般要求M3在饱和区内，I很大，VDS很小。221effVIWLLWVIeff,即M3的宽长比很大，寄生电容 很大。pCb)代表输出（差模）极点，代表P点（共模）极点。sCR

15、LD/sCrpo/3pout共模抑制比下降不明显。差动对高阻抗负载的情况对偏置点G，M3、M4将大小相等，方向相反的电流导入G，则G点可近似交流接地。负载电容是各管的漏级电容和栅漏交叠电容。,/31sCrrRLooD上述公式可适用。LLooCICrrBW2/213131sCrggsCrrgApommLoomCMV/1/52131,31/oorr 很大，很大，则输出极点是主极点。LC差动对CMOS差动对1)和双端输出（全对称）的电路相比，引入了一个镜像极点E。31mEgR 的密勒项411343GDGDDBDBGSGSECCCCCCCEmpEmECgCg332)输出极点LooLoponoutCrr

16、Crr42/1/1差动对3)零点：电路从输入到输出有二个通道，引入了零点 对通道M1、M3、M4:对通道M2:LmEmpCgCg213EoutossA11outosA1EoutEoEoutoinoutsssAssAVV/1/1/2/111/1EmECgs/223零点在左半平面。4)主极点近似例1：电流漏共源级的性能已知：W1 2,L1 1 ,W2 1,L2 1,VDD 5,VGG1=3 v,Cgd1=Cgd2 100fF,Cbd1=200fF,Cbd2=100fF,Cgs2=200fF,CL=1pF。计算输出摆幅和小信号性能。例2：CMOS差动对的性能已知：VDD=-VSS=2.5V,SR 1

17、0V/s(CL=5pF),Pdiss 1mW.f-3dB 100kHz(CL=5pF),Av=100V/V,-1.5VICMR2V 参数：KN=110A/V2,KP=50A/V2,VTN=0.7V,VTP=-0.7V,N=0.04V-1，P=0.05V-1.例2：CMOS差动对的性能1)由压摆率SR 10V/s(CL=5pF),ApFsVICISRL505/10/55由功率AIIVmW2005155AIA2005052)考虑Rout 是否满足带宽。kRkHzCRoutLout318105101002110021123AIkIRpnout70318255取：AI1005例2：CMOS差动对的性能3)最大输入共模电压TnGSDDGSDSSGDDGVVVVVVVV31131VVVVVTnGDDSG2.17.025.21382.1/505027.02433233LWLWVLWVAAVIVVTpSG4)增益11112112IIIRgApnpnoutmV4.183.2350110205.004.01100111LWLWLW例2：CMOS差动对的性能5)最小输入共模电压VVAAVVVVSSGSGDS078.07.04.18/1105025.25.12115299078.0/1101002225VAALW6)选择251LW,11.05VVDS1505LWM5 很容易进入线性区。