半导体集成电路10章

半导体集成电路南京理工大学电光学院2023/1/14第十章放大器概述放大器的相关概念放大器的分类放大器的级联放大器的频率响应低频特性波特图高频特性参考资料：双极型与CMOS放大器分析AmirM.Sodagar著，王志华李冬梅杨东译，2009年科学出版社2023/1/14放大器的定义顾名思义，放大器是一种将输入端接收到的信号进行放大并在其输出端输出的电路。线性放大器：假如一个放大器对输入信号x1(t)和x2(t)的响应分别是y1(t)和y2(t)，如果该放大器对输入信号[ax1(t)+bx2(t)]的响应分别是[ay1(t)+by2(t)]，则称该电路是线性电路。注意放大器的线性和晶体管“线性区”的区别。2023/1/14小信号放大器由晶体管组成，而晶体管通常是非线性器件。为了在对晶体管的特性进行线性化近似的同时，保证误差是可以被忽略的，应使输入信号足够小。当晶体管处于适当的工作模式，信号在晶体管上产生的电压电流变化量比先前建立的直流偏置量小得多。在这种状态下，可将晶体管特性看做线性的。这种工作条件下的晶体管称为小信号工作状态。2023/1/14偏置如前所述，当晶体管应用在放大器中时，必须通过精确设计的偏置电路来确定其工作点。偏置电路通常由直流电压源和其他器件组成。问题：“信号放大”和“能量守恒”矛盾吗？事实上，放大器并不是简单的把输入端的信号简单的“放大”后传输到输出端。放大器是感受到输入信号，并从直流电源获得能量，在输出端产生与输入信号成比例的电压和电流信号。2023/1/14放大器的分类按输入输出信号分类按工作晶体管分类双极型MOS型按级数分类：单级、多级按结构分类：共源、共栅、共漏、共射、共集、共基、Cascode、差分……2023/1/14放大器按输入输出信号分类电压放大器电流放大器跨导放大器跨阻放大器2023/1/14电压放大器将输入电压信号放大，并以电压形式输出的放大器。RI>>RS,RO<<RL

2023/1/14电流放大器对输入的电流信号进行放大，产生电流形式的输出信号。RI<<RS,RO>>RL2023/1/14跨导放大器对加到输入端的电压信号进行放大，在输出端产生与输入电压成比例的电流信号。其增益具有电导的量纲。但是，输入电压的两个节点和输出电流的两个节点为不同的端口，所以称为“跨导”。（可以比较MOS管模型中的“跨导”定义）2023/1/14RI>>RS,RO>>RL2023/1/14跨阻放大器对加到输入端的电流信号进行放大，在输出端产生与输入电流成比例的电压信号。其增益具有电阻的量纲。但是，输入电流的两个节点和输出电压的两个节点为不同的端口，所以称为“跨阻”。2023/1/14RI<<RS,RO<<RL2023/1/14放大器的级联单个放大器提供增益的能力是有限的。此外，任何结构简单的放大器都不可能在提供高增益的同时，具有良好的输入输出特性。所以需要多级放大器。2023/1/14怎样研究多级放大器？当研究第i级放大器时，将(i-1)级作为信号源，用戴维宁或诺顿等效电路代替（根据信号是电压或电流）将(i+1)级放大器作为负载，等效为负载电阻。2023/1/14级间耦合设计多级放大器，最简单的方式是先单独设计每一级，然后用电容耦合的方式将各级连接起来。每一级有自己的偏置网络。耦合电容将直流分量与交流信号隔离开，将纯交流信号叠加到下一级输入节点的直流电压上。2023/1/142023/1/14电容耦合的缺点多级偏置网络增加电路的复杂性和规模偏置网络从电源处获得直流电流，增加放大器的功耗。对集成电路来说，微法或纳法量级的耦合电容不容易实现。2023/1/14直接耦合如右图，直接用M1的漏极直流电压来偏置M2。通常用来设计在电路尺寸、功耗、频率带宽等方面性能更优良的放大器。2023/1/14后级电路会对前级电路的偏置点产生约束或直接决定偏置点。偏置点之间的关系使设计过程比较复杂。2023/1/14这也是M2的栅极电压2023/1/14放大器的频率响应频域基本概念放大器增益的典型频域特征如图：2023/1/14电路里的电容电容的分类：外接电容：耦合电容、电容旁路电容等。这些电容决定放大器中频区的下限。内部电容：主要是寄生电容。通常其电容值比外接电容低几个数量级。这些电容决定放大器中频区的上限。每个电容在频域上都有其“活跃范围”，即从“脱离开路状态”到“进入短路状态”。每个电容都会在放大器的传输函数中引入零点(zero)和极点(pole)。2023/1/14耦合电容和旁路电容在放大器的设计中，有时候希望一个电阻在直流时存在，以稳定工作点；但是在交流时短路，以增加增益。此时可以在此电阻旁边并联一个旁路电容。2023/1/14在低频区，每个电容的活跃范围从零点频率开始到极点频率结束。这意味着从直流开始，当频率轴上每经过一个外接电容的活跃范围，增益会提高。超过最后一个外接电容的短路点后，增益几乎保持不变。这就是放大器的下限截止频率，也是中频区的起点。增益一直保持常数到第一个内部电容脱离开路状态，这是中频区的终点，也是放大器的上限截止频率。2023/1/14传输函数传输函数是增益随频率变化的函数。复数频率s=σ+jω。系统的瞬态特性由σ的函数表示，稳态特性由jω决定。一般只用jω代替复频率。低频传输函数的一般形式：高频传输函数的一般形式：2023/1/14波特图（Bodeplot）传输函数的幅值 和相位 关于频率或f的关系曲线。2023/1/14波特图的做法电路内部和外接的每个电容都会在放大器的传输函数中引入零点(zero)和极点(pole)。低频高频低频：幅频特性曲线从+∞,每经过一个极点时斜率的增加20dB/D,每经过一个零点时减少20dB/D。高频相反。每个零点或极点对相频曲线都有一个影响范围(ROI,regionofinfluence)。该范围从零点或极点前一个十倍频开始，到之后一个十倍频结束。在ROI内，零（极）点为相频曲线斜率增加+(-)45°/D2023/1/14例题传输函数为下式，画出放大器的幅频特性曲线：2023/1/142023/1/14画出传输函数为下式的放大器相频特性曲线2023/1/142023/1/14画出放大器的幅频和相频特性曲线，中频增益为10000，两个高频极点分别位于10krad/s和100krad/s，一个高频零点位于1Mrad/s。2023/1/142023/1/142023/1/14多级放大器的频率响应如果放大器由多级级联而成，那么，总增益2023/1/14低频特性的观察分析法不需要计算复杂的传输函数，直接确定各个零点和极点的分析方法。首先画出低频通路图