第九章-高频放大器设计

1、2022-4-301第9章 高频放大器设计张艺蒙张艺蒙西安电子科技大学微电子学院2022-4-302高频放大器l高频小信号放大电路分为窄频带放大电窄频带放大电路路和宽频带放大电路宽频带放大电路两大类。l窄频带放大电路窄频带放大电路对中心频率附近的微弱信号进行不失真的放大, 故不但需要有一定的电压增益, 而且需要有选频能力。l宽频带放大电路宽频带放大电路对较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大, 故要求放大电路故要求放大电路的下限截止频率很低的下限截止频率很低( (有些要求到零有些要求到零频即直流频即直流), ), 上限截止频率很高上限截止频率很高2022-4-3032022-4-304开路时间常

2、数法 开路时间常数（OCs)也称为“零值”时间常数。它适合于传输函数只包括极点，零点都在无穷大处，也就是一个只包含电阻、电源和m个电容的随意的线性网络，那么： （1）计算面向每一第j个电容的等效电阻Rjo，计算时去掉所有其它电容计算时去掉所有其它电容 （2）对每个电容求出积jo=RjoCj (3)求所有m个这样的“开路”时间常数和 (4)mjjjoesthCR1,1(1)开路时间常数法能指出限制带宽的主要因素（元件）开路时间常数法能指出限制带宽的主要因素（元件）(2)估计的带宽往往比较低，精确的计算需要模拟器估计的带宽往往比较低，精确的计算需要模拟器(3)是高频模型，低频零点使计算不正确，因该

3、去掉那些对增益增加没有贡献的是高频模型，低频零点使计算不正确，因该去掉那些对增益增加没有贡献的耦合电容；耦合电容；（4)时间常数和极点不是一一对应的。时间常数和极点不是一一对应的。2022-4-305设计实例(3)如图所示是一个具有两个源跟随器的共源如图所示是一个具有两个源跟随器的共源-共栅放大器共栅放大器通过计算增益为通过计算增益为-8。采用开路时间法计算得到的。采用开路时间法计算得到的BW=2.1Grps（340MHz） 模拟结果为模拟结果为540MHz。Rs=2KRL=1KVINM2CL=1pFM3VBIAS5VM43mA3mA采用两级或多极放大采用两级或多极放大2022-4-3069.

4、2 利用零点增大带宽VoutRCMV1VinL 突破开路时间常数的所依赖的条件，扩展带宽的思路： 把零点或复数极点引入到传递函数中小心的构造一个高阶系统。 -并联补偿放大器并联补偿放大器。2022-4-307利用零点增大带宽右图是小信号模型，传递函数vout/iin就是RLC网络的阻抗。电感扩展带宽的原理RLC网络的阻抗： 除一个零点外，上式还有两个极点（有可能是复数），不符合开路时间常数的方法。1 1)/(1|)()(2sRCLCsRLsRsCRsLsZVoutC11nR11kI10AdcL110uH放大器增益放大器增益=gm Z(s),下面研究后者和频率间的函数关系。下面研究后者和频率间的

5、函数关系。2222)()1 (1)/()(RCLCRLRjZ2022-4-308利用零点增大带宽RLRCm/条件条件m归一化后归一化后的带宽的带宽归一化后的归一化后的峰值频率响峰值频率响应应最大带宽最大带宽-1.41-1.851.19|Z|=R=1/RC2-1.81.03最大平坦度的频率响应最大平坦度的频率响应-2.41-1.721最佳群延迟最佳群延迟-3.1-1.61无并联情况无并联情况11提出要求提出要求2022-4-309并联补偿：一个设计实例 漏端等效电容为1.5pF,负载电阻为100，设计一个1.5GHz的共源宽带放大器作为一个相位调整信道模块提高增益。如果没有电感，则带宽为1GHz

6、。取m=3.1 则 Ceff=1.5pF0.1KRsVoutVdd4.8nHVinnHCRL8 . 41 . 32图中带宽估计为1.7GHz，而且功耗没有增加，Q=0.52022-4-3010采用零点来抵消极点来增大带宽CCLRLRsVoutVinR9meg探针头CprobeCscope1 meg10:1探针头模型，Rin=10M，带宽200MHz。零点成峰共源放大器2022-4-3011二端口网路带宽增大电路VoutL2CLRsVinL1RL带有并联和串联补偿的放大器没有L1时，只采用串联补偿时：L2=R2C/mm=2 最大带宽为m=3最大平坦群延迟且带宽为1.3622022-4-3012二

7、端口网路带宽增大电路RsCLL3VoutRLL1VinL2并联与双串联补偿电路流入负载的电流由于L1的存在而被延迟，加速了负载电容的充电。最初一段器件只需对自己的输出电容充电，因为L3延迟了电流到网络的其他部分。网络对电容的充电是串行的而不是并行的。增加延迟换取带宽的提高。2022-4-3013反馈 反馈：正反馈、负反馈 正反馈：振荡（麦克风与扬声器） 负反馈：稳定（空调自动调温器,高精度信号处理） 本章只讨论负反馈 反馈的作用： 降低增益灵敏度 改变输入/输出阻抗 扩展系统带宽 抑止非线性2022-4-3014反 馈X(s)：输入信号：输入信号Y(s)：输出信号：输出信号Y(s)/ X(s)

8、：闭环闭环传输函数，传输函数，闭环增益闭环增益H(s)：前馈网络；：前馈网络；开环开环传输函数，传输函数，开环增益开环增益G(s)：反馈网络；若与频率无关，可用：反馈网络；若与频率无关，可用 代替代替H(s) G(s)：环路增益环路增益 ：反馈系数：反馈系数反馈放大器由前馈网络；检测输出的方式；反馈网络和产生反馈误差的反馈放大器由前馈网络；检测输出的方式；反馈网络和产生反馈误差的方式四部分组成。方式四部分组成。H(s)的输入可以认为是“虚地”2022-4-3015反馈：闭环传输函数Y(s) H(s)X(s) G(s)Y(s)Y(s)X(s)H(s)1 G(s)H(s)2022-4-3016反馈

9、的特性1：降低增益灵敏度AdAAAdAAdAdAifAAAAXYACLCLCLCL1111) 1A ( 11112A称为环路称为环路增益增益闭环增益和精度闭环增益和精度之间折中之间折中2022-4-3017增益灵敏度降低的例子简单共源级11211112112111 largefor , 1111omomomINOUToutXXinomXoutrgCCrgCCrgVVsCVVsCVVrgVV以上二式联立，得与与gmro1相比，这个相比，这个增益的表达式是两增益的表达式是两个电容之比，因此个电容之比，因此增益能更精确控制增益能更精确控制2022-4-3018反馈的特性2：改变输入/输出阻抗0,0(

10、)1XMXXXoutoutXoutout CLXVVVAVIRRVRRIA 2022-4-3019负反馈改变阻抗的例子共栅电路211211,211112112111121111,111)()()(1CCCRgggIVRCCCRVgggVggICCCRVggCCCVVggRDmmbmXXclosedinDXmbmmXmbmXDXmbmoutPmbmopenin2022-4-3020反馈的特性3： 扩展带宽000000000011111111 AsAAsAsAAAAsAAGivenCL2022-4-3021带宽扩展前后的波特图扩展后扩展前带宽的增大带宽的增大来源于反馈来源于反馈降低增益灵降低增益灵

11、敏度的特性敏度的特性单极点系统单极点系统增益与带宽增益与带宽的乘积不随的乘积不随反馈变化反馈变化2022-4-3022反馈的特性4：抑止非线性2022-4-30239.3并联-串联放大器 不同于我们已经学习的开环结构，设计宽带放大器的另一不同于我们已经学习的开环结构，设计宽带放大器的另一种方法是采用负反馈。种方法是采用负反馈。 并联并联-串联采用了并联合串联反馈的组合，其主要优点是串联采用了并联合串联反馈的组合，其主要优点是它的它的输入输出阻抗在一个很宽的频率范围内比较恒定，且输入输出阻抗在一个很宽的频率范围内比较恒定，且设计比较容易设计比较容易。RLVinRoutRinRFR1RsVout2

12、022-4-3024并联-串联放大器11,11RRgggmmeffmLFLtestLFLFtesteffmoutRRRvRRRRvgv,LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低频增益和输入输出电阻低频增益和输入输出电阻2022-4-3025并联-串联放大器LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低频增益和输入输出电阻低频增益和输入输出电阻sEsFEseffmSFtesttesto

13、utLELFEvFinRRRRRRgRRivRRRRRRARR)(1)(1,Rin=Rout ？设计时已知设计时已知Av，首先得到，首先得到RF然后计算然后计算R12022-4-3026并联-串联放大器 带宽与输入输出阻抗RLVinRoutRinRFR1RsVoutmgsVoutvgdmgsingdmgsVgRCALACRgCCRCgCABW211222022-4-30279.4采用ft倍频器增大带宽gdgsmtCCgf2减小输入电容而不降低跨导，ft就会增加差分对是一个ft的倍频器达灵顿对作为ft的倍频器Battjes的ft的倍频器漏源漏ioM1漏M3漏漏M2栅源IbiasM1M3漏漏漏io

14、栅2022-4-30289.5 调谐放大器 带单个调谐负载的共源放大器MVoutLCRVin不取决于中心频率的增益带不取决于中心频率的增益带宽积宽积CgRCRgBWGmm1具有单个调谐负载的放大器具有单个调谐负载的放大器2022-4-3029调谐放大器(1 1 gsmgdeqmgdeqrRgCRgCCVoutVinRMCRsLVoutLVinrggmvgsCgdRsRCCgs2022-4-30309.6 中和与单向化RsCVbiasVinMMVoutLRLMRVinVoutVbiasMCRs具有单个调谐负载的共源-共栅放大器具有单个调谐负载的源极耦合放大器RsC2VinVbiasC3CMRRs

15、RCLL经过中和的共源放大器2022-4-3031分布式放大器分布式放大器的原理。图 ( a) 为普通的集总放大器, RG 为栅极偏置电阻, RD 为负载电阻,W为MOS 管的宽度。图 ( b) 为电感分布式放大器, 将图 ( a) 中的MOS 管分为三个等宽的小MOS 管, 每个小MOS 管的宽度为原来MOS 宽度的三分之一, 三个小MOS 之间用电感LO 和LI 连接在一起。在低频时, 电感LO 和LI 都可以看成短路, 这时图 (b)和图( a) 的电路是等价的。但是, 在高频的在高频的时候时候, MOS 管的栅极寄生电容和漏极寄生电容以及输入输出部分的电容都可以由电感管的栅极寄生电容和

16、漏极寄生电容以及输入输出部分的电容都可以由电感LO 和和LI 来吸收。我们称电感来吸收。我们称电感LO 和和LI 为人工传输线为人工传输线, 那么这个放大器的带宽就由人工传输线的截止频率那么这个放大器的带宽就由人工传输线的截止频率决定。这就是分布式放大器的工作原理。决定。这就是分布式放大器的工作原理。2022-4-3032分布式放大器显然, 我们可以把该原理一般化, 即将MOS 管分为N 个部分, N个部分间用电感连接。我们来计算分为N 个部分时的带宽。输出传输线的特征阻抗是ZTLO, 在低于截止频率时是由电感LO 和漏极寄生电容CO/N 决定的( 每级管子的大小为原来的1/N) 。可以得到如

17、下的关系:要求传输线阻抗和负载电阻要求传输线阻抗和负载电阻RD 相匹配避免反射相匹配避免反射, 我们发现电感我们发现电感LO=R2DCO/N 时满时满足要求。输出传输线的截止频率可以表示为足要求。输出传输线的截止频率可以表示为:可见, 输出截至频率为普通集总放大器的2N 倍。2022-4-3033分布式放大器 如果我们假定输入传输线和输出传输线是一样的( 即CI=CO, RG=RD, 具有相同的截止频率和相同的阻抗) , 这样对输入截止频率也有相同的改善, 则整个放大器的带宽扩展了2N 倍。 在理论上, 我们可以将放大器分为足够多级(N- ) 来实现带宽的无限扩展, 但是在实际应用中, 级数一般被限定在4- 7, 主要是因为人工传输线存在损耗。2022-4-3034分布式放大器用一小段传输线来代替电感, 如图所示。在这种情况下传