第6章 放大器的频率特性

news/2024/12/29 16:55:00/

6.1 概述

  1. 关心稳态响应,令拉氏变换的s=jw,实现从复频域到频域的转换。
  2. 频率响应的实际求解:代入电阻、电容的复频率阻抗,gif.latex?H%28s%29%3D%5Cfrac%7BOut%28s%29%7D%7BIn%28s%29%7D。模拟电路(低频)一般不考虑电感sL。相频特性:时域上反映输出对输入的延迟Δt,Δφ=(Δt/T)×2Π,高频时延迟对相位的影响很大。
  3. 两极点系统的幅频响应=两个单极点系统的幅频响应之积;相频响应=两个单极点系统的相频响应之和。
  4. 如果gif.latex?%7Cs_%7Bp1%7D%7C%3C%20%3C%20%7Cs_%7Bp2%7D%7C,则gif.latex?%7Cs_%7Bp1%7D%7C称为主极点,主极点对频率响应的影响(衰减幅值、相角phase angle移动)更大。

    极点在左半平面(LHP)时,输出信号的相位比输入滞后。极点在右半平面(RHP)时,输出信号的相位比输入超前。
    右半平面的零点(RHZ)和LHP的作用相反。
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    衰减速度:-20dB/dec(频率增加到10倍时,增益下降了20dB),-40dB/dec...
    传输函数的magnitude,当频率通过zero frequencey时以+20dB/decade、+40dB/dec上升。gif.latex?%5Comega%20%3D%5Comega%20_p “-3dB带宽”“cutoff frequency”
    gif.latex?%5Comega%20_%7Bp1%7D处相位变化了±45deg、gif.latex?%5Comega%20_%7Bp2%7D处±135deg...
     
  5. 频率特性:电压源+串联RC=电流源+并联RC
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  6. 电路的每个node贡献一个pole。可以采用结点分析法直接写出传递函数:pole=从结点看向地的电阻×对地的总电容。复杂情况:feedback branch 在结点之间产生联系。
     
  7. Miller’s theorem--decomposition of a "floating" impedance into two "grounded" impedances
    Miller’s approximation:用低频时的增益V_X分析高频。缺点:可能消除了传递函数的zeros、预测额外的poles、不能正确计算输出阻抗。
    341f210c353041bf87f921db2c54a390.pnga007f2e6eec44208995a0c990ee8c480.png
    注:如果Z在X和Y之间只有一个信号通路,则密勒定理不适用。
    典型案例:gif.latex?Z%28%5Comega%20%29和增益为gif.latex?A%28%5Comega%20%29的放大器主通路并联。
    通常用gif.latex?A%28%5Comega%20%29的直流增益来分解gif.latex?Z%28%5Comega%20%29

    应用:实现电容放大,节省芯片面积。缺点:对放大器的输出摆幅要求高;更大的功耗。
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    0d5c46c308b54f4eb2b17e325f05bd83.png
     
  8. transit frequency:器件的小信号电流增益为1时的频率。82443534a2434a91880c2b88d3925ec5.png

    随着过驱动电压增加到一定程度,由于速度饱和,会导致迁移率明显逐渐减小,而使ft-Vod曲线变平,不再是线性直线。
    3942c6f5601741b084afd0ac6796bf00.png


6.2 共源极

方法1:通过密勒近似,直接求出极点频率

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  1. 误差1:忽略了输入输出(通过gif.latex?C_%7BGD%7D)耦合产生的零点。
    5374221c26ff4f119a45c97d393ad373.pngea6d1aae124944889769517cd7d34a3f.png
  2. 误差2:放大器的增益会随频率变化。当电路驱动大的负载电容时,低频时的电压增益会下降,此时不能用低频增益计算密勒效应的乘积项。
     

方法2:利用小信号电路,直接推出传递函数,然后利用 主极点近似 反推极点和零点。

  1. 零点频率:s_z=\frac{g_m}{C_{GD}}=+\omega _z,比特征频率大。是RHZ,增加了输出相移,损害电路的稳定性。零点产生的原因:两条以上的path。除了主通路,提供了前馈feedforward通路。
     
  2. 一种简单的计算零点的方法:令输出电流为0。根据KCL定律有v_1C_{GD}s_z=g_mv_1
    [ 极点:传递函数输入为0时,输出不为0。零点:传递函数输入不为0时,输出为0。
    "We have seen that the signals traveling through two paths within an amplifier may cancel each other at one frequency, creating a zero in the transfer function." ]
     
  3. CS输入容性阻抗(resistance是impededance的实部):高频时,存在输入电流。前馈影响了输入阻抗,不再是单纯的容抗,而是复阻抗。




Class-AB stage:和CS级结构相同。等效小信号模型:


6.3 源跟随器

  1. 传输函数包含一个在左半平面的零点。原因:高频时,由gif.latex?C_%7BGS%7D传导的信号与本征晶体管产生的信号以相同的极性相加。
  2. gif.latex?C_L为0,且不考虑沟调效应和体效应的情况下,gif.latex?C_%7BGS%7D is bootstrapped,没有电流通过,不贡献零极点。
  3. 高频时,驱动负载电容的源跟随器会显示出负的输入电阻,可能引起不稳定。负阻特性可被用于振荡器oscillator。c20fc1821690474bbf334fe176f653dd.png
  4. 若源跟随器前一级输出阻抗很大,则源跟随器的输出阻抗表现出电感特性(随频率增加)
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6.4 共栅级

  1. 如果不考虑沟调效应,输入、输出结点是isolated。如果不忽略,输入阻抗和负载阻抗、gif.latex?r_o有关。
  2. 如果与栅串联的是大阻抗,则降低了极点频率。
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http://www.ppmy.cn/news/475052.html

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