基本放大器的传输函数分析.ppt

单级放大器的频率响应Ch.6#1,第六章单级放大器的频率响应,单级放大器的频率响应Ch.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，电路的速度和其它性能指标是相互影响和相互制约的(如增益，速度；速度，功耗；噪声，速度)：可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。因此理解单级放大器的频率响应是深入理解模拟电路的重要基础。,单级放大器的频率响应Ch.6#3,系统的传输函数,在线性系统中,电容C的阻抗用1/SC,电感L的阻抗用SL,利用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A(S)。即:A(S)=V0(S)/Vin(S),它是算子S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，其L-1(A(S)(传输函数的拉普拉斯逆变换)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。,右式为一两极点系统的传输函数,式中A0为系统的低频增益。,单级放大器的频率响应Ch.6#4,传输函数的零点和极点,在A(S)令S=j,则|A(j)|的大小即是放大器的相频特性(即放大器相移与频率f的函数关系),它也是频率f的函数。显然,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负。,令Z(S)=0,得零点SZ,令P(S)=0,得极点SP,零、极点都是复数。若Re(SZ)0,则称SZ为右半平面零点,若Re(SZ)out,out可以忽略，CS放大器表现为一单极点特性的放大器，则：,f3dB=fPin=1/2in,单级放大器的频率响应Ch.6#21,RS很小时(输入近似为理想电压源)CS放大器带宽,out=RD(CGD+CDB);in=RSCGS+CGD(1-AV);AV=-gmRD,AV(s)-gmRD/(1+sout),如果MOS管所有寄生电容的大小具,有相同的数量级，RS非常小(输入信号源近似,为理想电压源)，则inCGD+CDB),该近似结果正是密勒简化“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(该结点的Rout就是下级的RS)，利用密勒电容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CS放大器中的fPin)就相当精确了！,单级放大器的频率响应Ch.6#27,CS放大器简化与精确分析的比较（3）,从上面的传输函数中我们发现CS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，但是我们可以利用另外一种方法来求CS放大器的零点fZ。,根据传输函数零点的的定义，CS放大器的零点fZ为：,单级放大器的频率响应Ch.6#28,CS放大器零点的产生,零点意味着存在某一频率fZ使输出Vout0。当两结点之间存在两条信号通路时，传输函数就可能产生零点(有可能是复数)。一般而言，若两条通路到达输出结点时信号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信号极性相反，则为右半平面零点。,Vin,单级放大器的频率响应Ch.6#29,CS放大器零点的简易求法,零点SZ也可以这样求：因为当S=SZ时，Vout(S)/Vin(S)0，也即Vout(S)0，这意味着即使此时将输出结点短路，必有Iout=0。,单级放大器的频率响应Ch.6#30,源跟随器的频率特性（无密勒效应）,没有密勒效应-CGD没有接在输出于输入结点之间(因小信号MOS管漏极D接地)。CL包含如下电容:CSB1,CDB,SS,CGD,SS下一级的输入电容Cin。因CGS在输出于输入结点之间，in无法“目视”。,单级放大器的频率响应Ch.6#31,源跟随器的频率特性（1）,KCL:,KVL:,单级放大器的频率响应Ch.6#32,源跟随器的频率特性（2）,单级放大器的频率响应Ch.6#33,单级放大器的频率响应Ch.6#34,源跟随器的输入阻抗（1）,若忽略CGD:,(低频时:gmb|SCL|),(与用弥勒定理时一样),M1体效应的等效电阻,CGS的密勒效应,单级放大器的频率响应Ch.6#35,源跟随器的输入阻抗（2）,对于给定的S=j,输入阻抗由CGS、CL和一个负电阻-gm/(CGSCL2)(S2|s=j=-2)串联。,(高频时:gmb|SCL|),单级放大器的频率响应Ch.6#36,源跟随器的输出阻抗（1）,(高频时),(低频时),若忽略CGD和体效应:,单级放大器的频率响应Ch.6#37,源跟随器的输出阻抗（2）,(高频时),(低频时),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1/gmfP,Y)。,单级放大器的频率响应Ch.6#50,电流源负载的共源共栅放大器频率特性,电流源负载时RD，fP,Y，若RS较大，fP,X与fP,Y很接近，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,但一方面从M2源端看进去的电阻Rin(Rin=RI1/gm2r02+1/gm2),另一方面AVX，CGD1的密勒效应变大，inX，fP,X，三个极点靠近的程度加大带宽，增益与带宽的矛盾很突出。,单级放大器的频率响应Ch.6#51,共源共栅放大器频率特性总结,共源共栅放大器的输入阻抗和低频增益同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。,单级放大器的频率响应Ch.6#52,基本差动对的频率响应,差动对因差动信号和共模信号的等效电路不一样，故差动响应与共模响应的高频响应应分开分析。,单级放大器的频率响应Ch.6#53,差分对差模信号响应的频率特性,基本差分对的半电路同单级CS放大器相同，故差分对的差模高频响应同CS放大器，只是需注意，因电路完全对称，差分对的极点数等于一条通路的极点数，而不是两条通路中极点数之和。,差模高频响应因CGD1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。,单级放大器的频率响应Ch.6#54,知识回顾：基本差分对低频时的共模差模转换,RSS用ro3|(1/CPs)代替,RD用RD|(1/CLs)代替即可得到基本差分对的共模高频响应。,单级放大器的频率响应Ch.6#55,基本差分对的共模高频响应,注意该传输函数有一个左半平面的零点!AV,CM-DM在fz=1/(2ro3CP)开始以20dB/dec的斜率上升。,单级放大器的频率响应Ch.6#56,基本差分对的带宽,在某一频率f=fP,DM差模增益ADM开始下降。在某一频率f=fZ,CM共模增益ACM开始上升。从某种意义上说，上面两个频率中更低的一个频率才是放大器的带宽。,单级放大器的频率响应Ch.6#57,基本差分对共模响应的频率特性小结,基本差分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M1(2)和用作尾电流管的M3过驱动电压尽可能小(特别是在低电源电压情况下)，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(同差模时该节点的极点频率),远大于P点的极点频率(也即P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ADM增加，CMRR减小(即尾电流阻抗下降导致CMRR)，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。,单级放大器的频率响应Ch.6#58,电流源负载差分对的频率特性,CL包括M3、M4的CGD和CDB,差分输出时,CGD3和CGD4感应到节点G的信号大小相等、方向相反，故G点小信号时接地。也可以理解为M3、M4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G点小信号时接地。,单级放大器的频率响应Ch.6#59,电流源负载差分对的半电路,将前面带电阻负载时的传输函数中的RD用ro1|ro3代替即得到恒流源负载的差分对传输函数。,1.由于ro1|ro3和CL较大，因此该节点的极点频率较输入极点低，是第一主极点。2.fh1/2CL(ro1|ro3),单级放大器的频率响应Ch.6#60,电流源负载差分对的共模响应,带电流源负载的差分对的共模响应同带电阻负载差分对的共模响应完全一样，只须用ro1|ro3代替RD即可。节点P形成的极点依然是主极点。,单级放大器的频率响应Ch.6#61,有源负载差分对的高频响应,由于电路非完全对称，该电路差模响应有两个极点，一个在输出节点，一个在节点X(注意双端输出时没有这个极点)，该极点也称“镜像极点”。XCX/gm3，CX是X节点到地的总电容，它,包含CGS3,CGS4,CDB3,CDB1和CGD1及CGD4的密勒效应。下面来求其传输函数。,单级放大器的频率响应Ch.6#62,有源负载差分对的小信号模型,由前面分析我们知道:VX=gm1ro1Vin=gmNroNVinRX=2ro1=2roN图中未标电容全部忽略,单级放大器的频率响应Ch.6#63,有源负载差分对的差模高频响应（1）,假定1/gmProPVE=(Vout-VX)(1/(CEs+gmP)/RX+(1/(CEs+gmP),M4的小信号电流为gm4VE-gm4VE-IX=Vout(CLs+roP-1),单级放大器的频率响应Ch.6#64,有源负载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，用前面估算极点的方法可得：,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！,单级放大器的频率响应Ch.6#65,有源差分对零点的简单求法,Id4,根据零点的意义可得:Id4+IX=0,gmPVE+IX=0,单级放大器的频率响应Ch.6#66,单端与双端输出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称，差模响应传输函数中只有一个极点，有源负载差分对由于电路不对称，传输函数中有两个极点，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，故还存在一个左半平面的零点。,单级放大器的频率响应Ch.6#67,本章基本要求,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原因，理解利用零点概念求零点的方法。,