北大集成电路原理与设计之二：模拟集成电路原理与设计课件06放大器的频率特性

1北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲对电流源的要求可调、精确、稳定(PTV)基于IREF用电流镜得到所需电流基本电流镜合理设计尺寸比可获得期望电流沟道长度调制效应引起精度降低L取相同，W基于单元MOS管并联共源共栅电流镜提高了输出电阻，实现了高精度牺牲了输出电压摆幅降低Vb值能增大摆幅REFoutILWLWI12)/()/(21min,OVOVoutVVV2北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲电流镜做负载的差分放大器将差分输入转换为单端输出差分增益共模增益会影响差分放大器性能；高频时、存在失配时更严重)(4,32,12,1OOmDMrrgA4,32,12,1211mmSSmCMggRgA3北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计上一讲电流镜是AIC的基础电路模块106222123Ref822'24132425815171416720111995262.25V1183122'OP2(OP3)接N阱10A，来自带隙基准源电路:产生直流偏置:小信号传递低摆幅cascode电流镜高摆幅cascode电流镜基本电流镜4模拟集成电路原理与设计第6章放大器的频率特性陈中建[e-mail]62759620，理科2号楼2617微电子学系5北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计授课内容绪论，2学时重要性、一般概念单级放大器，5学时无源/有源电流镜，2学时差动放大器，3学时放大器的频率特性，4学时噪声，4学时运算放大器，6学时反馈，6学时稳定性和频率补偿，6学时版图，3学时共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础，2学时MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型基本/共源共栅/有源电流镜EDA系统使用常识和设计实习实例演示，2学时做设计实习所需软硬件系统的使用期中考试2学时，评卷1学时。习题课若干学时6北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲放大器的频率特性概述线性电路的S域分析法密勒效应极点与结点的关联共源级源跟随器共栅级共源共栅级差分对7北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计概述前面分析各放大级时未考虑寄生电容在低频时，这些电容的阻抗（1/2fC）很大相比于rO和RD，电容阻抗可忽略根据作业2.15，知50/0.5的NMOS管的各寄生电容均小于100fF，f=1Hz时的阻抗为：)(2121OOmrrgm1vgAKmAVIrGfCsCDnO1011.01115921001210211115，当f=1GHz时，电容阻抗不可忽略了8北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计概述频率特性输入信号频率从低频到高频变化过程中，线性电路的增益、输入阻抗、噪声等指标随频率的变化特性关注其幅值和相位随频率的改变变化的原因电阻阻值不随频率改变，但电容、电感等器件的阻抗随频率改变直流时认为电容断路，电感短路；即电容阻抗无穷大，电感阻抗为零如何分析电路的频率特性？复数分析法、S域分析法《电路分析》，王楚等，北京大学出版社9北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计S域中的电阻/电容/电感的电压/电流方程sLssVsLIssIsCsssCVCVsIGssGVsIsLsssLILIsVsCssIsCsVsVRssRIsV/1),(1)0(1)(),()0()(),()(S),()0()(/1),(1)0()(),()(S域导纳为域导纳为域导纳为的电流方程：域中电阻、电容和电感域阻抗为域阻抗为域阻抗为的电压方程：域中电阻、电容和电感10北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计S域中分析频率特性的通用方法画出电路的高频小信号等效电路推导传输函数（如Av(s)）等电容C的阻抗为(1/sC)，电感L的阻抗为sL方法1列出基尔霍夫电流方程或电压方程（组），解方程比较繁琐，但结果准确方法2用极点-结点关联法直接写出传输函数在适用情形下，能极大地简化推导，但有误差。一般用来了解变化趋势根据推导结果，分析变化规律，用于指导设计传输函数通常要分析极点和零点Rin(s)、Rout(s)分析其随频率的变化11北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计S域中的传输函数传输函数的通用表达式H(s)分母的根为极点只有所有的根的实部都是负数时，电路加激励后才能趋于稳定H(s)分子的根为零点零点位于波特图的左半平面时，有利于反馈放大器的稳定)1()1()1()1()()()(110nmpspszszsHsFsGsH12北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计为什么重点分析极点和零点？第10章会专门讲1、主极点带宽（0.707AV点对应的频率）2、构成反馈系统后，极零点决定着系统能否稳定下面在分析放大器的频率特性时主要是分析传输函数的极零点13北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计用S域分析法分析电路频率特性示例vivosCRsCvvio/1/1/11/sRCvviofRCjfvvio211)(RCfffjfvvppio2/1,11)(传输函数是单个极点P=-1/RCRCP1极点电容会影响电压增益和相位。当信号频率足够高时（远大于P），电压增益降为0，引入-900相移14北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲放大器的频率特性概述线性电路的S域分析法密勒效应极点与结点的关联共源级源跟随器共栅级共源共栅级差分对15北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒效应和密勒定理密勒效应用密勒定理来表述“如果图a中电路可以转换成图b中电路，则Z1=Z/(1-Av)，Z2=Z/(1-Av-1)，其中Av=VY/VX”实质把X与Y之间的阻抗的影响转换成X和Y对“地”的阻抗一种为了方便电路分析而进行的电路转换Z1Z(1Av))1(12vAZZXYvVVAvXYXYXAZVVZZZVZVV11,1112211,vYXYYXAZVVZZZVZVV16北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理的应用实例FCAC)1(1FvFCACC)1(12FFinFCAVCAVCVA)1()1()1(等效输入电容为：抽取的总电荷为：从换为：电容极板的总的电压变AAv求输入电容FsCZ1vAZZ11121vAZZ17北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理的适用条件密勒定理“如果图a中电路可以转换成图b中电路，则Z1=Z/(1-Av)，Z2=Z/(1-Av-1)，其中Av=VY/VX”适用条件阻抗Z和信号主通路并联时，被证明适用如果X和Y之间只有一个信号通路，则这种转换往往不成立XYvVVA18北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理的适用条件21221121211,1,,RAZZRRAZZRRRARZvvv如果X和Y之间只有一个信号通路，则这种转换往往不成立左图右图增益R2/（R1+R2）0输入阻抗R1+R2R1+R2输出阻抗R1||R219北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理的适用条件严格讲，Av的值应为特定频率下的值实际常用低频Av就能了解电路特性Z1Z(1Av))1(12vAZZXYvVVA20北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理可用于求Av和Rin负载为电流源）（inOmbmxyvOxmbmxyRrggvvArvggvv)(1)(用常规的小信号电路推导方法用密勒定理推导mbmmbmmbmOmbmOinOmbmvyvOxmbmggggggrggrRrggAvArvgg111])(1[1)(1/11))((Y得：节点有：在结果相同“如果用密勒定理求传输函数，则不能同时用该定理来计算输出阻抗”21北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理可用于求Av和RinOoutrR用常规的方法推导Rout：用密勒定理推导Rout：结果不正确教材P141：“如果用密勒定理求传输函数，则不能同时用该定理来计算输出阻抗”OmbmOmbmOvOoutrggrggrArR1])(1[1/111原因：从X到Y的增益不一定等于从Y到X的增益的倒数22北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计密勒定理可用于求Av和Rin为了避免上述计算错误，我们仍采用常规方法来计算Av、Rin、RoutAv：在输入端加激励Vin，推导Vout/VinRin：在输入端加激励Vin，推导Vout/IinRout：输入端接交流地，在输入端加激励Vx，推导Vx/Ix密勒定理还有其他应用限制在本书中通常都满足适用条件，可直接用于简化电路分析阻抗Z和信号主通路并联时，被证明适用23北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计本讲放大器的频率特性概述线性电路的S域分析法密勒效应极点与结点的关联共源级源跟随器共栅级共源共栅级差分对24北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计传输函数的极点和电路中结点的关联A1和A2是理想的电压放大器R1和R2表示每级的输出电阻Cin和CN表示每级的输入电容CP表示负载电容25北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计传输函数的极点和电路中结点的关联)11)(11)(11(11111111111)()(212121212211PNinSPNinSPPNNinSininoutCRsCRsCRsAAsCRsCRAsCRAsCRsCAsCRsCAsCRsCsVVsH传输函数26北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计传输函数的极点和电路中结点的关联)11)(11)(11(1)()(2121PNinSinoutCRsCRsCRsAAsVVsH传输函数观察H(s)，知：1、传递函数有三个极点，每个结点对应一个极点2、每个极点的值可以通过“对应结点到地看到的总电容”乘以“对应结点到地看到的总电阻”确定，如M结点对应的极点为1/RSCin但这种通过“每个结点对应一个极点”从而直接得出传输函数的方法不具有普适性27北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计传输函数的极点和电路中结点的关联当结点之间有除主路径以外的相互作用途径时，严格来讲，不能再用极点－结点关联法直接得出传输函数和极点2113213210,111()()XinXoutXXoutoutinVVVVVsCVAVRRRsCsCsCVHssV存在多个极点和零点28北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理与设计传输函数的极点和电路中结点的关联当结点之间有除主路径以外的相互作用途径时，不能再用极点－结点关联法直接得出传输函数和极点尽管如此，在分析许多电路的传输函数时，仍常用极点－结点关联法粗略估算传输函数和极点。会有误差，但可简化传输函数计算、分析通常需要用密勒定理，把R3串联C3所对应的阻抗，转换为X结点对地阻抗Z1和Y结点对地阻抗Z，从而消除X和Y结点之间通过R3和C3的相互作用。再应用极点－结点关联法分析传输函数和极点。可以简化电路分析，但常会丢掉零点。29北京大学微电子学系－陈中建－模拟集成电路原理