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1、模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计(shj)频率响频率响应应第一页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#2Ch.6#2放大器的频率特性 前面我们对各种单级放大器的分析仅集中在前面我们对各种单级放大器的分析仅集中在它们的低频特性上,忽略了器件的寄生电容和负它们的低频特性上,忽略了器件的寄生电容和负载电容的影响。然而在模拟电路中,电路的速度载电容的影响。然而在模拟电路中,电路的速度和其它性能指标是相互影响和相互制约的和其它性能指标是相互影响和相互制约的(如增益如增益,速度,速度;速度;速度,功耗,功耗;噪声;噪声,速度
2、,速度):可:可以牺牲其它指标来换取高的速度,也可以牺牲速以牺牲其它指标来换取高的速度,也可以牺牲速度指标来换取其它性能指标的改善。因此理解度指标来换取其它性能指标的改善。因此理解(lji)单级放大器的频率响应是深入理解单级放大器的频率响应是深入理解(lji)模拟电路的重要基础。模拟电路的重要基础。第1页/共66页第二页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#3Ch.6#3简单电路的传输(chun sh)函数ViV0式中式中:R极点极点(jdin)第2页/共66页第三页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(
3、pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#4Ch.6#4系统的传输(chun sh)函数在线性系统中在线性系统中,电容电容C的阻抗用的阻抗用1/SC,电感电感L的阻抗用的阻抗用SL,利用利用(lyng)纯电阻分析方法求得输出电压与输纯电阻分析方法求得输出电压与输入电压之比即为系统的传输函数入电压之比即为系统的传输函数A(S)。即。即:A(S)=V0(S)/Vin(S),它是算子它是算子S的函数。传输函数的函数。传输函数具有重要意义,它不仅可以用来分析系统的频率特性,具有重要意义,它不仅可以用来分析系统的频率特性,其其L-1(A(S)(传输函数的拉普拉斯逆变换传输函数的拉普拉斯逆
4、变换)就是系统的就是系统的时域冲击响应,对于任意的输入信号与冲击响应的卷时域冲击响应,对于任意的输入信号与冲击响应的卷积,就是该输入信号作用于系统时系统的时域响应。积,就是该输入信号作用于系统时系统的时域响应。右式为一两极点右式为一两极点系统的传输函数系统的传输函数,式中式中A0为系统的低为系统的低频增益。频增益。第3页/共66页第四页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#5Ch.6#5传输函数的零点(ln din)和极点3.在在A(S)令令S=j,则则|A(j)|的大小的大小(dxio)即是放大器的相频特性即是放大器的
5、相频特性(即放大器相移与频率即放大器相移与频率f的函数关系的函数关系),它也是频率它也是频率f的函数。显然的函数。显然,极点对相位的贡献为负极点对相位的贡献为负,左半平面的零点对相位的贡献为正左半平面的零点对相位的贡献为正,右半平面的零点对相位的贡献为负。右半平面的零点对相位的贡献为负。1.令令 Z(S)=0,得零点得零点SZ,令令 P(S)=0,得极点得极点SP,零、极点都是零、极点都是复数复数。若。若Re(SZ)0,则称则称SZ为右半平面零点为右半平面零点,若若Re(SZ)0,则称则称SZ为左半平面零点为左半平面零点;最靠近坐标原点的极点称为第一最靠近坐标原点的极点称为第一主极点,依次类推
6、。主极点,依次类推。稳定系统要求稳定系统要求Re(SP)out,out可以忽略,可以忽略,CS放大器表现为一单极点特性的放大器,则:放大器表现为一单极点特性的放大器,则:f3dB=fPin=1/2in第18页/共66页第十九页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#20Ch.6#20RS RS 很小时很小时(输入近似输入近似(jn s)(jn s)为理想电压源为理想电压源)CS)CS放大器带放大器带宽宽out=RD(CGD+CDB);in=RSCGS+CGD(1-AV);AV=-gmRDA AV(s)-gmmR RD D
7、/(1+s/(1+s out)如果如果MOS管所有管所有(suyu)寄生电容的大小具寄生电容的大小具有相同的数量级,有相同的数量级,RS非常小非常小(输入信号源近似输入信号源近似为理想电压源为理想电压源),则,则inCGD+CDB)该近似结果正是密勒简化该近似结果正是密勒简化“目视目视”结果,该项相对于输入结点,误差显然要大一些。然而,在稍后的学习中我们会发现,运算放大器中通常都有一个高阻抗结点结果,该项相对于输入结点,误差显然要大一些。然而,在稍后的学习中我们会发现,运算放大器中通常都有一个高阻抗结点(该结点的该结点的Rout就是下级的就是下级的RS),利用密勒电容,利用密勒电容(dinrn
8、g)的倍增效应对运放进行频率补偿就是在该高阻抗结点形成一个第一主极点,输出结点的影响相对要小得多,而利用密勒定理简化该该高祖抗结点的结果的倍增效应对运放进行频率补偿就是在该高阻抗结点形成一个第一主极点,输出结点的影响相对要小得多,而利用密勒定理简化该该高祖抗结点的结果(相当于相当于CS放大器中的放大器中的fPin)就相当精确了!就相当精确了!第24页/共66页第二十五页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#26Ch.6#26CS放大器简化与精确分析(fnx)的比较(3)从上面的传输函数中我们发现从上面的传输函数中我们发现
9、CS放大器还存在一个放大器还存在一个零点,这在密勒简化分析中是没有的,这也是两者间零点,这在密勒简化分析中是没有的,这也是两者间的最大区别。由于零点在运放的稳定性中起着很大的的最大区别。由于零点在运放的稳定性中起着很大的作用,因此在放大器频率特性中不能忽略,但是我们作用,因此在放大器频率特性中不能忽略,但是我们可以利用另外一种可以利用另外一种(y zhn)方法来求方法来求CS放大器的放大器的零点零点fZ。根据传输函数零点的的定义,根据传输函数零点的的定义,CS放大器的零点放大器的零点fZ为:为:第25页/共66页第二十六页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin
10、yn)(pn l xin yn)Ch.6#27Ch.6#27CS放大器零点(ln din)的产生零点意味着存在某一频率零点意味着存在某一频率fZfZ使输出使输出VoutVout0 0。当两结点之间存在两条信号当两结点之间存在两条信号(xnho)(xnho)通路时,传输函数就通路时,传输函数就可能产生零点可能产生零点(有可能是复数有可能是复数)。一般而言,若两条通路。一般而言,若两条通路到达输出结点时信号到达输出结点时信号(xnho)(xnho)极性相同且传输函数存在极性相同且传输函数存在零点,则为左半平面零点;若两条通路到达输出结点时零点,则为左半平面零点;若两条通路到达输出结点时信号信号(x
11、nho)(xnho)极性相反,则为右半平面零点。极性相反,则为右半平面零点。Vin第26页/共66页第二十七页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#28Ch.6#28CS放大器零点(ln din)的简易求法零点零点SZ也可以这样求:因为当也可以这样求:因为当S=SZ时,时,Vout(S)/Vin(S)0,也即,也即Vout(S)0,这意味着即使,这意味着即使(jsh)此时将输出结此时将输出结点短路,必有点短路,必有Iout=0。第27页/共66页第二十八页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l
12、xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#29Ch.6#29源跟随(n su)器的频率特性(无密勒效应)没有没有(mi yu)密勒效应密勒效应-CGD 没有没有(mi yu)接在输出于输入结点之间接在输出于输入结点之间(因小信号因小信号MOS管漏极管漏极D接地接地)。CL 包含如下电容包含如下电容:CSB1,CDB,SS,CGD,SS 下一下一级的输入电容级的输入电容 Cin。因因CGS在输出于输入结点之间在输出于输入结点之间,in无法无法“目视目视”。第28页/共66页第二十九页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.
13、6#30Ch.6#30源跟随(n su)器的频率特性(1)KCL:KVL:第29页/共66页第三十页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#31Ch.6#31源跟随(n su)器的频率特性(2)第30页/共66页第三十一页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#32Ch.6#32第31页/共66页第三十二页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#33Ch.6#33源跟随(n su)
14、器的输入阻抗(1)若忽略若忽略(hl)CGD:(低频时低频时:gmb|SCL|)(与用弥勒定与用弥勒定理时一样理时一样)M1体效应的等效电阻体效应的等效电阻CGS的密勒效应的密勒效应第32页/共66页第三十三页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#34Ch.6#34源跟随(n su)器的输入阻抗(2)对于对于(duy)给定的给定的S=j,输输入阻抗由入阻抗由 CGS、CL 和一个和一个负电阻负电阻 -gm/(CGSCL 2)(S2|s=j=-2)串联。串联。(高频时高频时:gmb|SCL|)第33页/共66页第三十四页,
15、共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#35Ch.6#35源跟随(n su)器的输出阻抗(1)(高频高频(o pn)时时)(低频时低频时)若忽略若忽略CGD和体效应和体效应:第34页/共66页第三十五页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#36Ch.6#36源跟随(n su)器的输出阻抗(2)(高频高频(o pn)时时)(低频时低频时)上面那个图像更象是上面那个图像更象是|Zout|=f()图像?源跟随器作为缓冲器工作必然图像?源跟随器作为缓冲器工作必
16、然1/gm0,AV0,故故ro/(1-AV)0,ro/(1-AV)fP,A,fP,X fP,Y)。第47页/共66页第四十八页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#49Ch.6#49电流电流(dinli)(dinli)源负载的共源共栅放大器频率源负载的共源共栅放大器频率特性特性电流源负载时电流源负载时RDRD,fP,YfP,Y,若,若RSRS较大,较大,fP,X fP,X与与 fP,Y fP,Y很接近,很接近,放大器此时带宽放大器此时带宽。电流源负载的共源共栅可获得高增益和大的输出摆幅电流源负载的共源共栅可获得高增益和
17、大的输出摆幅,但一方面但一方面从从M2M2源端看进去源端看进去(jn q)(jn q)的电阻的电阻 Rin Rin (Rin=RI1/gm2r02+1/gm2),(Rin=RI1/gm2r02+1/gm2),另一方面另一方面 AVX AVX,CGD1CGD1的密勒效应的密勒效应变大,变大,inX inX,fP,XfP,X,三个极点靠近的程度加大带宽,三个极点靠近的程度加大带宽 ,增益与带宽的矛盾很突出。增益与带宽的矛盾很突出。第48页/共66页第四十九页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#50Ch.6#50共源共栅放大
18、器频率特性总结共源共栅放大器频率特性总结(zngji)(zngji)共源共栅放大器的输入阻抗(sh r z kn)和低频增益同 CS 放大器相同。共源共栅放大器因共栅管的低输入阻抗(sh r z kn)减小了共源管的增益(-1),从而减小了CGD1的密勒效应,故获得了比CS放大器更大的带宽。恒流源负载的共源共栅放大器因三个极点相互靠近,带宽有明显下降。第49页/共66页第五十页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#51Ch.6#51基本(jbn)差动对的频率响应差动对因差动信号和共模信差动对因差动信号和共模信号的等效电
19、路不一样,故差号的等效电路不一样,故差动响应动响应(xingyng)与共模与共模响应响应(xingyng)的高频响的高频响应应(xingyng)应分开分析。应分开分析。第50页/共66页第五十一页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#52Ch.6#52差分(ch fn)对差模信号响应的频率特性基本差分对的半电路同单级基本差分对的半电路同单级CS放大器相同,故差分对的差模高放大器相同,故差分对的差模高频响应同频响应同CS放大器,只是需注放大器,只是需注意,因电路完全对称,差分对的意,因电路完全对称,差分对的极点数等于一条
20、通路极点数等于一条通路(tngl)的的极点数,而不是两条通路极点数,而不是两条通路(tngl)中极点数之和。中极点数之和。差模高频响应因差模高频响应因C CGD1GD1的密勒效应使带宽变窄。的密勒效应使带宽变窄。上述缺点可利用共源共栅结构克服。但因共源共栅结上述缺点可利用共源共栅结构克服。但因共源共栅结构需消耗更多的电压余度,因此放大器输出摆幅要减构需消耗更多的电压余度,因此放大器输出摆幅要减小一些。小一些。第51页/共66页第五十二页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#53Ch.6#53知识回顾:基本差分知识回顾:
21、基本差分(ch fn)(ch fn)对低频时的共模对低频时的共模差模转换差模转换RSS 用用 ro3|(1/CPs)代替代替,RD 用用 RD|(1/CL s)代替即可代替即可得到基本差分对的共模高频得到基本差分对的共模高频(o pn)响应。响应。第52页/共66页第五十三页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#54Ch.6#54基本差分(ch fn)对的共模高频响应注意该传输函数有一个左半平面的零点注意该传输函数有一个左半平面的零点!AV,CM-DM 在在 fz=1/(2ro3CP)开始开始(kish)以以20dB/d
22、ec的斜率上升。的斜率上升。第53页/共66页第五十四页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#55Ch.6#55基本差分(ch fn)对的带宽在某一频率在某一频率 f=fP,DM 差模增益差模增益 ADM 开始下开始下降。降。在某一频率在某一频率 f=fZ,CM共模增益共模增益 ACM开始上升。开始上升。从某种意义上说,上面两个频率中更低的一从某种意义上说,上面两个频率中更低的一个个(y)频率才是放大器的带宽。频率才是放大器的带宽。第54页/共66页第五十五页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn
23、l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#56Ch.6#56基本差分(ch fn)对共模响应的频率特性小结基本差分基本差分(ch fn)对的共模高频特性一般由节点对的共模高频特性一般由节点P的总电容决定。因为为使输出摆幅尽可能大,需的总电容决定。因为为使输出摆幅尽可能大,需M1(2)和用作尾电流管的和用作尾电流管的M3过驱动电压尽可能小过驱动电压尽可能小(特别是在低电源电压情况下特别是在低电源电压情况下),即它们的宽长比较大,于是,即它们的宽长比较大,于是P点的寄生电容可能会变得相当大。如果此时输出极点频率点的寄生电容可能会变得相当大。如果此时输出极点频率(同差模时该节点的极点频率
24、同差模时该节点的极点频率)远大于远大于P点的极点频率点的极点频率(也即也即P点高阻特性明显下降时,输出节点的阻抗还很高点高阻特性明显下降时,输出节点的阻抗还很高),则此时共模增益,则此时共模增益ADM增加增加,CMRR减小减小(即尾电流阻抗下降导致即尾电流阻抗下降导致CMRR),如果电路失配,共模,如果电路失配,共模差模的转换电平较大,输出端高频电源噪声和输入端的共模噪声显著增加。差模的转换电平较大,输出端高频电源噪声和输入端的共模噪声显著增加。第55页/共66页第五十六页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#57Ch
25、.6#57电流(dinli)源负载差分对的频率特性CL 包括包括(boku)M3、M4的的CGD 和和 CDB差分输出时差分输出时,CGD3 和和 CGD4 感应到节点感应到节点 G的信号大的信号大小相等、方向相反,故小相等、方向相反,故G点小信号时接地。点小信号时接地。也可以理解为也可以理解为M3、M4的栅极接的是一个固定偏置电的栅极接的是一个固定偏置电平,它不随输入信号的变化而变化,故平,它不随输入信号的变化而变化,故G点小信号时点小信号时接地。接地。第56页/共66页第五十七页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#
26、58Ch.6#58电流源负载(fzi)差分对的半电路将前面带电阻负载时的传输函将前面带电阻负载时的传输函数数(hnsh)中的中的 RD 用用 ro1|ro3代替即得到恒流源负代替即得到恒流源负载的差分对传输函数载的差分对传输函数(hnsh)。1.由于由于ro1|ro3和和CL较大,因此该节点的极点频率较输较大,因此该节点的极点频率较输入极点低,是第一主极点。入极点低,是第一主极点。2.fh1/2CL(ro1|ro3)第57页/共66页第五十八页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#59Ch.6#59电流源负载差分(ch
27、fn)对的共模响应带电流源负载带电流源负载(fzi)的差分对的差分对的共模响应同带电阻负载的共模响应同带电阻负载(fzi)差分对的共模响应完全差分对的共模响应完全一样,只须用一样,只须用 ro1|ro3代替代替RD即可。即可。节点节点P形成的极点依然是主极点。形成的极点依然是主极点。第58页/共66页第五十九页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#60Ch.6#60有源负载差分对的高频(o pn)响应由于电路非完全对称由于电路非完全对称(duchn),该电路差模,该电路差模响应有两个极点,一个响应有两个极点,一个在输出节
28、点,一个在节在输出节点,一个在节点点X(注意双端输出时没注意双端输出时没有这个极点有这个极点),该极点也,该极点也称称“镜像极点镜像极点”。XCX/gm3,CX是是 X节点到地的总电容,节点到地的总电容,它它包含包含CGS3,CGS4,CDB3,CDB1 和和 CGD1 及及 CGD4的密勒效应。的密勒效应。下面来求其传输函数。下面来求其传输函数。第59页/共66页第六十页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#61Ch.6#61有源负载(fzi)差分对的小信号模型由前面分析我们知道由前面分析我们知道(zh do):(z
29、h do):VX=gm1ro1Vin=gmNroNVinVX=gm1ro1Vin=gmNroNVinRX=2ro1=2roNRX=2ro1=2roN图中未标电容全部忽略图中未标电容全部忽略第60页/共66页第六十一页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)Ch.6#62Ch.6#62有源负载差分对的差模高频(o pn)响应(1)假定假定(jidng)1/gmProP(jidng)1/gmProPVE=(Vout-VX)(1/(CEs+gmP)/VE=(Vout-VX)(1/(CEs+gmP)/RX+(1/(CEs+gmP)RX+(
30、1/(CEs+gmP)M4 的小信号电流为的小信号电流为 gm4VE-gm4VE-IX=Vout(CLs+roP-1)第61页/共66页第六十二页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#63Ch.6#63有源负载(fzi)差分对的差模高频响应(2)由于镜像极点比输出极点高很多,用前面估算由于镜像极点比输出极点高很多,用前面估算(sun)极点的方法可得:极点的方法可得:注意传输函数有一左半平面零点,大小为:注意传输函数有一左半平面零点,大小为:下面我们用另一种方法来求此零点!下面我们用另一种方法来求此零点!第62页/共66页
31、第六十三页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#64Ch.6#64有源差分(ch fn)对零点的简单求法Id4根据根据(gnj)零点的意义可得零点的意义可得:Id4+IX=0 gmP VE+IX=0 第63页/共66页第六十四页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l xin(pn l xin yn)yn)Ch.6#65Ch.6#65单端与双端输出(shch)差分对的高频响应比较 双端输出的恒流源负载差分对因电路完全对双端输出的恒流源负载差分对因电路完全对称,差模响应传输函数称,差模响应传输函数(h
32、nsh)中只有一个极中只有一个极点,有源负载差分对由于电路不对称,传输函点,有源负载差分对由于电路不对称,传输函数数(hnsh)中有两个极点,因此其高频响应比中有两个极点,因此其高频响应比恒流源负载差分对要差,换句话说,恒流源负恒流源负载差分对要差,换句话说,恒流源负载差分对的带宽更宽,同时有源负载差分对从载差分对的带宽更宽,同时有源负载差分对从输入到输出有两条极性相同的信号通路,故还输入到输出有两条极性相同的信号通路,故还存在一个左半平面的零点。存在一个左半平面的零点。第64页/共66页第六十五页,共66页。单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应(pn l(pn l xin yn)xin yn)Ch.6#66Ch.6#66本章基本(jbn)要求理解和掌握何谓密勒效应,能利用密勒效应解释为什么CS放大器的带宽较窄,CG、CSCG放大器带宽较宽的原因。理解和掌握为什么双端输出差分对比单端输出差分对带宽更宽的原因。理解和掌握差分对共模高频响应与输出摆幅之间的折衷关系。了解传输函数中零点的产生(chnshng)原因,理解利用零点概念求零点的方法。第65页/共66页第六十六页,共66页。