第九章-高频放大器设计

2023/2/41第9章高频放大器设计张艺蒙西安电子科技大学微电子学院zhangyimeng@2023/2/42高频放大器高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。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。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,故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流),上限截止频率很高2023/2/432023/2/44开路时间常数法开路时间常数（OCτs)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（2）对每个电容求出积τjo=RjoCj(3)求所有m个这样的“开路”时间常数和

(4)(1)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(3)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；（4)时间常数和极点不是一一对应的。2023/2/45设计实例(3)如图所示是一个具有两个源跟随器的共源-共栅放大器通过计算增益为-8。采用开路时间法计算得到的BW=2.1Grps（340MHz）模拟结果为540MHz。Rs=2KΩRL=1KΩVINM2CL=1pFM3VBIAS5VM43mA3mA采用两级或多极放大2023/2/469.2利用零点增大带宽

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。2023/2/47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。放大器增益=gmZ(s),下面研究后者和频率间的函数关系。2023/2/48利用零点增大带宽条件m归一化后的带宽归一化后的峰值频率响应最大带宽-1.41-1.851.19|Z|=R@ω=1/RC2-1.81.03最大平坦度的频率响应-2.41-1.721最佳群延迟-3.1-1.61无并联情况∞11提出要求2023/2/49并联补偿：一个设计实例漏端等效电容为1.5pF,负载电阻为100Ω，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。取m=3.1

则图中带宽估计为1.7GHz，而且功耗没有增加，Q=0.52023/2/410采用零点来抵消极点来增大带宽10:1探针头模型，Rin=10MΩ，带宽200MHz。零点成峰共源放大器2023/2/411二端口网路带宽增大电路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1.362023/2/412二端口网路带宽增大电路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。2023/2/413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2023/2/414反馈X(s)：输入信号Y(s)：输出信号Y(s)/X(s)：闭环传输函数，闭环增益H(s)：前馈网络；开环传输函数，开环增益G(s)：反馈网络；若与频率无关，可用代替H(s)×G(s)：环路增益：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方式四部分组成。H(s)的输入可以认为是“虚地”2023/2/415反馈：闭环传输函数2023/2/416反馈的特性1：降低增益灵敏度βA称为环路增益闭环增益和精度之间折中2023/2/417增益灵敏度降低的例子－简单共源级与gmro1相比，这个增益的表达式是两个电容之比，因此增益能更精确控制2023/2/418反馈的特性2：改变输入/输出阻抗2023/2/419负反馈改变阻抗的例子－共栅电路2023/2/420反馈的特性3：扩展带宽2023/2/421带宽扩展前后的波特图扩展后扩展前带宽的增大来源于反馈降低增益灵敏度的特性单极点系统增益与带宽的乘积不随反馈变化2023/2/422反馈的特性4：抑止非线性2023/2/4239.3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种方法是采用负反馈。并联-串联采用了并联合串联反馈的组合，其主要优点是它的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。2023/2/424并联-串联放大器低频增益和输入输出电阻2023/2/425并联-串联放大器低频增益和输入输出电阻Rin=Rout？设计时已知Av，首先得到RF然后计算R12023/2/426并联-串联放大器带宽与输入输出阻抗2023/2/4279.4采用ft倍频器增大带宽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2023/2/4289.5调谐放大器带单个调谐负载的共源放大器不取决于中心频率的增益带宽积具有单个调谐负载的放大器2023/2/429调谐放大器2023/2/4309.6中和与单向化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经过中和的共源放大器2023/2/431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LO和LI来吸收。我们称电感LO和LI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决定。这就是分布式放大器的工作原理。2023/2/432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)。可以得到如下的关系:要求传输线阻抗和负载电阻RD

相匹配避免反射,我们发现电感LO=R2D·CO/N时满足要求。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。2023/2/433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。2023/2/434分布式放大器用一小段传输线来代替电感,如图所示。在这种情况下传输线的特征阻抗低于原来的值,主要是由于MOS管负载电容引起的。可见,分布式放大器是一种有