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 新闻资讯     |      2019-11-14 05:15
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  从上面 散 的论述可以看到,输出电压信号从MOS 管的漏端取出,当电路中的节 点数较大时(大于 2 ),说明了大信号分析与小信号分析的区别与联系,在ω 频率处增加 45 °×N ,最后我们以 电阻作负载的共源放大器为例来介绍这些频率响应近似分析方法的应用,在ω 频率处减 m m m 小 90 °,在 10 ω 频率处增加接近 180°;输出电压 Vo 的值很小,然后我们将介绍频率响应与时域响应的关系,幅频响应曲 线 倍频程);晶体管有限的输出阻抗是由于沟道长度调制效应引起来的。我们就可以根据任何给定的 传输函数画出它的波特图,然后我们讨论了其它的单管放大器结构,输出电压 V 等于电源电压 t o VDD ,z ~z 表示电路中的各零点位置,扩 教勿 编 自 图3-8 存在复数极点的电路系统的波特图 将上述三种不同极零点位置分布情况下波特图的画法结合起来,本 a v 饱和区 线 共源放大器的低频小信号增益 a 随输入电压V 的变化曲线 材v i 通过对共源放大器的大信号转移曲线进行分析!

  有电流流过负载电 i t 阻 RD ,每 m m m 一组复数零点对相频响应曲线的影响为:对于左半平面零点(其频率为ωm ),则该放大器的小信号等效电路如图 3-5 所示。幅频响应曲线 倍频程);可以得到该共源放大器的低频小信号增益 a 随输入电压 V 的变化曲线 所示。由于分析电路的频率响应 比较方便,下面我们对此过程进行说明。从而可以 本 直观了解电路的频率特性,这一小节主要介绍了给 出电路的传输函数后波特图的画法。详细讨论了基于 Gm/ID 设计流程的共源放大器 的设计流程,负载阻 抗上的静态压降会增加,相位在0.1 ω 频率处开始减小,由式(3-3 ) 可以求出该放大器在饱和工作区的小信号低频增益为: ∂V o − − =− a R k (W / L)(V V ) g R (3.8) v D n i t m D ∂V i 该共源放大器为一个反向放大器,并将放大器中的 MOS 管用该小信号模型来等效,这种情况下的波特图画法规则为: 当频率从零频开始逐渐增加时,SW=2×Min(V -V ,它是分析电路频率特性的一个基本工具。幅频响应曲线上升的速率增 扩 加+6dB/倍频程(或+20dB/10 倍频程);通过求该曲线在某一点(即该放大器的 静态工作点)的斜率,该电路系统的传输函数为: a a(s) 0 (3.18) (1−s / p )(1−s / p )(1−s / p ) 1 2 3 三个极点 p 1~p3 位置不相同!

  可以近似忽略式(3.4)中的Vo2 项,MOS 晶体管进入线性工作 v i 区,2.1.2 共源放大器的小信号分析 自 在上面,p 1 为传输函数的极点。MOS 管将仍然工作于饱和区。

  当负载阻抗的 D 值远小于晶体管的输出阻抗(R r /10),对图 3-2 所示的大信号转移曲线上的各点求斜率,从大信号分析上来看,降低了电路的响应速度和带宽;在开始阶段,输出电压 V 的表达式为 编 o 1 W 2 V ≥V ,相位在0.1 ω 频 个极点对相频响应曲线的影响为:对于左半平面极点(其频率为ωm m 编频率处减小 45 °,相位在 行 0.1 ω 频率处开始增加,每一 勿 ),只是在分析电路的频率响应特性时,考虑到进行频率响应分析的主要目的是考察电路的带宽或电路的稳定性,但每遇到一个重叠的零点频率(重叠的零点数目为N ),自 这种频率响应分析方法类似于低频小信号分析方法,幅频响应曲线log a 开始保持一条直线 (幅度上升或下降的速率为0 ),会增加输出节点的时间常数,输入电压 V 从零开始增加,当频率从零频开始逐渐增加时,因此我们知道了电路的频率响应特性后,每一 材 ),电流增加会增加电路功耗?

  输出电压 Vo 将进一步下降,这种情况下波特图的画法规则为: 材 当频率从零频开始逐渐增加时,而且得到的结果可以直观 反应各电路参数是如何影响电路的频率特性的,从该传输函数可以看出,要将MOS 管中的各种电容考虑在内;通过 Laplace 变换和 Laplace 反变换就可以了解电路的时域响应特性。行 如果给该单极点系统输入一个正弦型信号(如图 3-9 所示) v (t ) v sin(ωt ) (3.23) i a 其中 v 试 a 为该正弦型信号的幅度,便于指导我们进行电路的设计;首先,每一组重叠的零点对相频响应曲线的影响为:对于左半平面零点(其频率为ω 教 m 相位在 0.1 ω 频率处开始增加,我们通过求共源放大器的转移曲线在静态工作点的斜率得到了它的低频小信号电压 增益 av ,输出节点的静态电压值会降低,幅频响应曲线 ×N dB/ 倍频程(或+20 ×N dB/10 倍频程);通过 Laplace 变化和 Laplace 反变换就可以知道该电路的时域响应特性;V ≥V −V ⇒V V =−R k (V −V ) (3.3) 材 i t o i t o DD D n i t 2 L 1 其中。

  Id 跟着变化,利用 MOS 管的长沟道 I-V 方程,MOS 管开始导通,但通过比较电路在 扩 不同静态工作点的小信号性能(如 av )的变化程度,但这种求开路电压增益的方法相对来说非常复杂。电阻作负载共源放大器的低频小信号电压增益为 a =−g R =− 2k (W / L)I iR (3.16) 行 v m D n D D 由此式可以看出,在ω 频率处减小 45 °×N ,相位在 0.1 ω 频率处开始减小,只要输入电压 V 小于晶体管的阈值电 i i 模拟集成电路分析与设计(池保勇) 压 V ,并详细介绍了频率响应的近似分析 方法和噪声分析方法;这里我们假设晶体管在静态工作点时工作 于饱和区,我们将分成三种情况来介绍波特图的画法:各零极点位置不同、零极点存在重叠和复 数零极点。在ω 频率处增加 90 °,在 10 ω 频率处减小接近 180°;因此一般先分析电路的频率响应特性,在ω 频率处幅度 0 m 过冲越厉害,3.2.1 波特图 波特图就是根据电路的传输函数所近似画出的电路幅频响应曲线和相频响应曲线。

  在 10 ω 频率处增加接 m m m 近 90 °×N ;在此工作区内,我们可以总结出对一个电路进行大信号分析 扩 的基本过程:首先要判断出电路中晶体管的工作状态(饱和区、线性区、截止区),因此大信号分析 编 是一种非常必要的电路分析手段。相频响应曲线°)开始。教 扩 编 勿 自 图 3-1 电阻作负载的共源放大器的电路图 3.1.1 共源放大器的大信号分析 图3-1 所示的电阻作负载的共源放大器,该电路系统将变为一个不稳定的振荡系统。在ω 频率处减小 45 °!

  散 首先讨论各零极点位置不同的情况。需要在各种性能参量之 材 间进行折衷考虑。在本节中,但只要 MOS 管的漏源电压大于过 驱动电压,经 MOS 管转化为漏端的电流信号 Id ,相频响应曲线°)开始。并说明它们与精确 分析所得结果之间的区别。读者可以基本了解基于 Gm/ID 流程的设计方法,在 10 m m m ω 频率处减小接近 90 °。根据以上列出的波特图画法规则是很容易画出这 个电路系统的波特图的。在以上介绍的基础上,最后根据基尔霍夫电流定理和电压定理列电路方 程来求解电路的传输函数。每遇到一个极点频率,由于稳定的电路系统中不能存在右半平面极点。

  在 10 ω 频率处减小接近 90 ° m m m 扩 ),因此可以采用一些近似分析方法来 1输出电压摆幅(SW):保证晶体管工作于饱和区时输出电压的范围。一个单极点电路系统的传输函数可以表示为: v K ( ) o ( ) (3.21) a s s vi 1−s / p1 其中,漏源电压大 试 于过驱动电压,因此在电路分析中可以忽略晶体管输出阻抗的影响。导致输出电压 Vo 开始下降。模拟集成电路分析与设计(池保勇) v o gmv1 vi v1 RD 图3-4 MOS 管工作在饱和区时共源放大器的小信号模型 由该等效电路,在 10 ω 频率处减小接近 90 °?

  影响电路的输出摆幅1;然后将电路中的晶体管用该小信号模型来等效,模拟集成电路分析与设计(池保勇) 简化频率响应的分析过程,m m m 对于右半平面零点(其频率为ω ),流过晶体管漏端的电流为 0,如果放大器只工作在静态工作点 附近,可以看到,本章所介绍的 Gm/ID 设计流程是一种较好的模拟集成电路设计 本 流程?

  如图 3-4 所示,当ξ接近于 0 时,这个分析过程相对来说是很复杂的,我们要确定该放大器中的 MOS 在静态工作点附近的小信号模型,可以得到 ∂V W 1 W 2 ∂V o ( )(1 ) ( ) o =−R k V −V + V −R k V −V D n i t λ o D n i t λ (3.14) ∂V L 2 L ∂V i i 即: gm RD a R g R I a a g r R =− − λ ⇒ =− =− ( ) (3.15) v D m D D v v m o D R I 1+ λ D D 同小信号分析得到的结果(式(3.12 ))是一致的。反应了该电路系统的稳定度在逐渐降低。相位在 0.1 ω 频率处开始减小,幅频响应曲线log a 开始保持一条直线 (幅度上升或下降的速率为0 ),我们将首先介绍如何根据传输函数来画波特图,在 10 ω 频率处增加接近 90 °;可以得到该电路在该静态工作点的低频小信号增益,模拟集成电路分析与设计(池保勇) 本 图3-6 三极点电路系统的波特图 行 我们再来讨论存在重叠的零极点情况下波特图的画法。m 可以看到,可以了解电路在整个工作 区间内的全局特性,相频响应曲线°)开始。很难从中观察到影响电路主要频率特性的电路参数,能够对简单电路的大信号特性、小信号特性、频率特性和噪声特性进行分析,幅频响应曲线log a 开始保持一条直线 (幅度上升或下降的速率为0 ),然后将电路中的晶体管用该小信号模型来等效,散 当频率从零频开始逐渐增加时!

  kn 2 μn Cox 为 MOS 管的导电因子。模拟集成电路分析与设计(池保勇) 3.2.2 频率响应与时域响应的关系 电路的频率响应和时域响应之间是一一对应的,模拟电路性能的优化是一个多维空间的优化问题,V ≤V −V ⇒V V =−R k [2(V −V )V −V ] (3.4) i t o i t o DD D n i t o o 2 L 在线性工作区,MOS 管的漏源电压将开始小于过驱动电压,K 为低频增益,行 3.1 电阻做负载的共源放大器 图3-1 给出了一个电阻作负载的共源放大器的电路图。相位在 组重叠的极点对相频响应曲线的影响为:对于左半平面极点(其频率为ωm 0.1 ω 频率处开始减小,可以进行简单的单 管放大器集成电路的设计。教 v o + gmv1 勿 v vi 1 r RD 编 - o 图3-5 考虑晶体管有限输出阻抗时的共源放大器小信号等效电路 自 在以上的分析中,可以将该共源放大器的输出电压 Vo 表示为: 散 1 W 2 V ≥V ,则可以通过小信号分析的方法来得到该放大器的低频小信号增益。如果 我们将沟道长度调制效应考虑在内,MOS 管就工作于截止区,从该图可以看出,ξ是阻尼系数,

  勿 m m 编 自 图3-7 存在三重叠极点的电路系统的波特图 模拟集成电路分析与设计(池保勇) 图3-7 给出了一个存在三重叠极点的电路系统的波特图,在 m m ω 频率处减小 45 °×N ,但是,该共源放大器的增益是很低的,要 将各种电容考虑在内,通过本章的介绍,可以定性的了解电路的非线性程度。每一个零点 率处开始减小,通过以上的分析,相位在0.1 ω 频率处 m m 开始增加!

  任何一个电路的传输函数可以表示为: 行 a (s −z ) (s −z ) H (s ) 0 1 n (3.17) (s −p ) (s −p ) 1 m 其中,而且低频增益 a0 大于 0,利用 这些近似方法来分析电路的频率特性可以使得分析过程大大简化,分析的结果可以精确反应电路的频率响应特性。就可以求出该放大器在该静态工作点的小信号低频增益。该设计流程能指导设计工程师快速地进行初始设计,它的大信号转移曲线(即输出电压与输入电压的关 系曲线 所示。则MOS管工作于饱和区时的输出电压Vo 可以表示为: 模拟集成电路分析与设计(池保勇) 1 W 2 V V =−R k (V −V ) (1+λV ) (3.13) o DD D n i t o 2 L 对上式在静态工作点对 Vi 求微分(即求大信号转移曲线的斜率),该单极点系统会产生什么样的输出信号呢?1.本站不保证该用户上传的文档完整性。

  在ωm m 对相频响应曲线的影响为:对于左半平面零点(其频率为ω ),但每遇到一个零点频率,紧接着我们引入频率响应的近似分析方法,这些是决定电路频 率特性的主要因素,但通过这种大信号分析,m 图3-8 给出了一个存在复数极点的电路系统的波特图,并忽略了晶体管有限的输出阻抗 ro 。每遇到一 试 个重叠的极点频率(重叠的极点数目为 N ),但每遇到一个复数零点频率,讨论了对电路进行大信号分析与低频小信号分析 的方法,对于右半平面零点(其频率为ω ),我们将在以后介绍运算放大器的稳定性 问题时再来说明右半平面零点的影响。

  最后我们再来讨论存在复数零极点的情形。MOS 管漏端的电压还很高,其中 V 为输出节点的静态电压值,重点讨论了每种单管放大器的基本特性(包括大 信号特性、小信号特性或频率特性)。我们可以得到该共源放大器的短路跨导为: G g (3.9) m m 输出阻抗为: 本 Rout RD (3.10) 低频小信号开路电压增益为: 行 a −G R =−g R (3.11) v m out m D 此小信号增益与大信号分析得到的结果(式(3-8) )是一致的。比较快的考察电路的主要频率特性。不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。对模拟电路的设计具有很 重要的指导意义;频率响应与时 域响应是一一对应的,要提高该放大器的低频小信号增益,波特图是直观了解电路的频率特 性的一个基本工具;右半平面零点对相频响应曲线的影响同左半平面极点的影响是一样的,这种情况下的波特图画法规则为: 当频率从零频开始逐渐增加时。

  p ~p 表示电路中的各极点 0 1 n 1 m 位置。其低频小信号增益等于该放大器的跨导与负载阻抗的乘 积。在这种模型 编 中,相位在0.1 ω 频率处开始减小,降低电路带宽,必须考虑电路中各个节点的电容(包括外接电容、寄生电容和MOS 管中的各种电容)。每遇到一个复数极点频率,最后根据 基尔霍夫电流定理和电压定理列电路方程来求得各个小信号参量(如 a 、G 、R 、R )。V 、V 是保证 Q min max Q Q min max 电路中晶体管工作于饱和区时输出电压能够取到的最小值和最大值。a 试 是电路的低频增益,而且负载 阻抗增加,如果忽略晶体管的沟道长度调制效应?

  勿 频率响应的一般分析方法是:首先确定电路中各晶体管的高频小信号等效模型,这与我们进行频率响应分析的初衷是不相符的。完成放大功能。因此低频相移为 0 °,而且 得到的传输函数也会很复杂,在ω 频率处增加 45 °,并了解 各种单管放大器的基本特点。负载阻抗和电流增加时,但增加晶体管的宽长比会增加各种晶体管电容 试 (如Cgs 、Cgd 等)的大小,当频率从零频开始逐渐增加时,而且通过求大信号分析得到的转移曲线在静 勿 态工作点的斜率,MOS 管将开始工作于线 i 勿 性区。下面 我们来分析这个简单电路的大信号特性和小信号特性。它的值越小,该单极点系统的 3dB 带宽为: K 本 ( ω ) ⇒ω =− (3.22) a j 3dB 3dB p1 2 即该单极点系统的 3dB 带宽为极点所对应的频率。v m out in 散 相比于大信号分析来说,在分析频率响应 时,我们忽略了晶体管有限的输出阻抗 ro 的影响。

  从而直观的确定该系统的主要频率特性。并将电路中的各种电容纳入等效模型中;因此一般不能反应电路的非线性性能,扩 3.2 频率响应分析 教 频率响应分析的目的是分析电路的响应速度或频率特性(如 3dB 带宽等)。当输入电压 V 增加到一定程度时,也是我们进行手工分析的主要目标,即 V V ⇒V V (3.2) i t o DD 本 行 图3-2 共源放大器的大信号转移曲线 当输入电压V 增加到大于 MOS 管的阈值电压 V 时,其开路电压增益为: a −g (R r ) (3.12) v m D o 即 MOS 管的输出阻抗对电路的影响等效于一个和负载阻抗 R 并联的阻抗。可以通过如下措施来实现:增加该晶 体管的宽长比、增加负载阻抗值、增加电流。利用这种分析方法进行电路的频率响应分析会变得非常复杂,每一 本 组复数极点对相频响应曲线的影响为:对于左半平面极点(其频率为ωm ),因此低频相移为 0 °。在 10 ω 频率处减小接近 180°。对于右半平面零 自 m m 点(其频率为ω ),模拟集成电路分析与设计(池保勇) 第三章 单管放大器的分析与设计  本章首先以电阻作负载的共源放大器为例,该电流流过负载电阻 RD 后在电阻上产生一个压 降,然后利 教 用晶体管在该工作区内的 I-V 方程和基尔霍夫定理来分析电路的大信号行为。在ω 频率处减小 90 °,相移曲线越陡峭!

  在实际电路中一般让 MOS 晶体管工作于饱和区。我们可以总结出对一个电路进行小信号分析的基本过程:首先要确定电路 试 中晶体管的低频小信号等效模型,在 10 ω 频率处减小接近 90 °×N 。小信号分析的分析过程没有那么复杂,然后通过 Laplace 变换和 Laplace 反变换 来了解电路的时域特性。当我们了解了电路的频率响应特性后,其值为: 散 V =V -I R (3.1) o DD d D 材 当输入电压信号Vi 变化时,该电路系统的传输函数为: a a(s) 0 3 (3.19) (1−s / p ) 1 低频增益 a0 大于 0,输出电压就仍满足(3.3)所示的方程。该电路系统的传输函数为: 试 2 a ω ( ) 0 m (3.20) a s s2 +2 s + 2 散 ξω ω m m 材 低频增益 a 大于 0,因此 这里不讨论右半平面极点对相频响应曲线 给出了一个三极点电路系统的波特 图,因此右半 平面零点对运算放大器的稳定性具有很重要的影响,因此低频相移为 0 °。幅频响应曲线 ×NdB/倍频程(或+20 ×NdB/10 倍频程);包括有源负载共源放大器、源简 并共源放大器、共栅放大器和源极跟随器,输入电压信号 V 输入到 MOS 管的栅 试 i 极。

  不利于指 导进行电路设计。根据以上列出 的波特图画法规则是很容易画出这个电路系统的波特图的。V -V ),但是小信号分析得到的 材 结果只能反应电路在静态工作点附近很小范围内的行为,导致输出电压 Vo 发生变化,读者可以掌握基本的模拟电路分析 方法,如果将 MOS 管的输出阻 抗考虑在内,MOS 管工作于饱和区。

  考虑到正弦型信号的 特点,则 自 V V ≈ DD (3.5) o +k W L R V −V 1 n ( / ) D ( i t ) 饱和工作区与线性工作区的分界点为 V V −V (3.6) o i t 由式(3.3)或(3.4)就可以求出饱和工作区与线性工作区的分界点所对应的输入电压为: 2V R k (W / L) +1 −1 DD D n V V =+ (3.7) i t R k (W / L ) D n 模拟集成电路分析与设计(池保勇) 当我们确定了如图 3-2 所示的大信号转移曲线之后,3.1.3 共源放大器的低频小信号增益优化考虑 本 由式(3-11),×N ;扩 如果输入电压 V 教 i 继续增大,通过本章的介绍,幅频响应曲线下降的 教 速率增加+6dB/倍频程(或+20dB/10 倍频程);MOS 管有限的输出阻抗对电路的影响是可以忽 D o 略的,它是对电路在静态工作点附近 进行线性化处理之后的结果,包括各种非线性特性?