計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)chapter放大器的頻率特性PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)chapter放大器的頻率放大器的頻率特性特性2021-10-182VAZZ11密勒定理密勒定理:如果圖如果圖(a)的電路可以轉(zhuǎn)換成圖的電路可以轉(zhuǎn)換成圖(b)的電路的電路,則則 121VAZZ,其中其中 .,XYVVVA 第1頁/共49頁2021-10-183證明證明:通過阻抗通過阻抗Z由由X流向流向Y的電流等于的電流等于 .由于這兩個(gè)電路由于這兩個(gè)電路等效等效,必定有相等的電流流過必定有相等的電流流過Z1.于是有于是有:ZVVYX1ZVZVVXYXXYVVZZ11YXVVZZ12類似有類似有2ZVZVVYYX第2頁/共49頁2021-10-184什么條

2、件下可以利用密勒定理進(jìn)行上述轉(zhuǎn)換呢什么條件下可以利用密勒定理進(jìn)行上述轉(zhuǎn)換呢?a. 若阻抗若阻抗Z在在X和和Y點(diǎn)之間只有一個(gè)信號(hào)通路點(diǎn)之間只有一個(gè)信號(hào)通路,則轉(zhuǎn)換往則轉(zhuǎn)換往往不成立往不成立.b. .阻抗阻抗Z與信號(hào)主通路并聯(lián)的情況下與信號(hào)主通路并聯(lián)的情況下,密勒定理可能成立密勒定理可能成立.第3頁/共49頁2021-10-185練習(xí)練習(xí):計(jì)算電路的輸入電阻計(jì)算電路的輸入電阻.ombmVrggA1mbmmbmmbmombmoinggggggrggrR11111第4頁/共49頁2021-10-186考慮幾個(gè)放大器的簡單級(jí)聯(lián)電路考慮幾個(gè)放大器的簡單級(jí)聯(lián)電路,如下圖所示如下圖所示. A1,A2 是理想的

3、是理想的電壓放大器電壓放大器; R1,R2 是每級(jí)的輸出電阻是每級(jí)的輸出電阻; Cin,CN 表示每級(jí)的輸入表示每級(jí)的輸入電容電容; CP 表示負(fù)載電容表示負(fù)載電容.如何寫該電路的傳輸函數(shù)如何寫該電路的傳輸函數(shù)?第5頁/共49頁2021-10-187sCRsCRAsCRAsCRsCAsCRsCAsCRsCVVVVVVVVVVVVsHPNinSinSinNNPPinininoutoutininoutoutoutinout21211122111122221111111111 )(第6頁/共49頁2021-10-188極點(diǎn)的確定極點(diǎn)的確定:由相應(yīng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)到地由相應(yīng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)到地”看到的看到的”總電容乘

4、以從這個(gè)結(jié)點(diǎn)到總電容乘以從這個(gè)結(jié)點(diǎn)到地看到的總電阻地看到的總電阻,得到了時(shí)間常數(shù)得到了時(shí)間常數(shù) ,于是可以得到一個(gè)極于是可以得到一個(gè)極點(diǎn)的頻率點(diǎn)的頻率 .電路中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)電路中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn).在許多電路中在許多電路中,我們可以利用這種極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系估我們可以利用這種極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系估算電路的傳輸函數(shù)算電路的傳輸函數(shù).jjj1第7頁/共49頁2021-10-189例例6.4 忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng),計(jì)算電路的傳輸函數(shù)計(jì)算電路的傳輸函數(shù). 111111/mbmSSBGSinggRCC1DDBDGoutRCC)1)(1 (1)(

5、1)()(outinSmbmDmbminoutssRggRggsVV第8頁/共49頁2021-10-1810假定假定:=0 ,M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū).DmVGDVGSinRgACACC ,)1(考慮由有限源電阻考慮由有限源電阻RS所驅(qū)動(dòng)的共所驅(qū)動(dòng)的共源級(jí)電路源級(jí)電路,如如6.10所示所示.a.通過極點(diǎn)與對應(yīng)結(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的方法估算傳輸函數(shù)通過極點(diǎn)與對應(yīng)結(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的方法估算傳輸函數(shù):從從X點(diǎn)到地看到的總電容為點(diǎn)到地看到的總電容為第9頁/共49頁2021-10-1811)(1GDDBDoutCCR DmVGDDBGDVDBoutRgACCCACC ,)1(1從輸出點(diǎn)到地看到的總電容為從輸出點(diǎn)到地

6、看到的總電容為)1 (1GDDmGSSinCRgCR 輸入極點(diǎn)的值為輸入極點(diǎn)的值為(6.1)(6.2)輸出極點(diǎn)的值為輸出極點(diǎn)的值為第10頁/共49頁2021-10-1812若若RS相對較大時(shí)相對較大時(shí),電路簡化成圖電路簡化成圖6.11的模型的模型(忽略忽略RS的影響的影響).XeqXGSGDGDmXVsCVCCCgI 1eqGSGDGDmXXsCCCCgVI 1 11/1mGDGSGDeqXgCCCsCZ)(1/11DBeqmGDGSGDDoutCCgCCCR XVXI第11頁/共49頁2021-10-1813于是于是,可以得到電路的傳輸函數(shù)可以得到電路的傳輸函數(shù):)1)(1 ()(outin

7、DminoutssRgsVV主要誤差主要誤差:a.沒有考慮電路零點(diǎn)的存在沒有考慮電路零點(diǎn)的存在;b.用低頻增益用低頻增益 - gmRD 近似放大器的增益近似放大器的增益.由于輸出結(jié)點(diǎn)的電由于輸出結(jié)點(diǎn)的電容等原因容等原因,放大器的增益會(huì)隨頻率變化放大器的增益會(huì)隨頻率變化.第12頁/共49頁2021-10-1814b.利用等效電路求精確的傳輸函數(shù)利用等效電路求精確的傳輸函數(shù).0)( X sCVVsCVRVVGDoutXGSXSinX：結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)(6.19)01 )()( YsCRVVgsCVVDBDoutXmGDXout：結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)(6.20)從式從式(6.20)可得可得sCgsCRsCVVGDmDB

8、DGDoutX )(1(6.21)第13頁/共49頁2021-10-1815將式將式(6.21)代入式代入式(6.19)得到得到SinGDoutGDmDBGDDGDGSSoutRVsCVsCgsCCRsCCRV )()(11(6.22)也就是也就是1)()1 ()()(2 sCCRCRCRgRsRRRgsCsVVDBGDDGSSGDDmSDSDmGDinout (6.23)DBGDDBGSGDGSCCCCCC 其中其中,第14頁/共49頁2021-10-1816)()1(11DBGDDGSSGDDmSpCCRCRCRgR 111112121221 ssssDpppppp 將傳輸函數(shù)的分母寫成下

9、面的形式將傳輸函數(shù)的分母寫成下面的形式:若若21pp ,即即 比比 遠(yuǎn)離原點(diǎn)遠(yuǎn)離原點(diǎn),則則s的系數(shù)近似等于的系數(shù)近似等于2p1p11p ,于是得到于是得到與與(6.1)式比較可知式比較可知,與輸入結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)的直觀方法可近似與輸入結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)的直觀方法可近似計(jì)算極點(diǎn)計(jì)算極點(diǎn),且可用且可用放大器的低頻增益放大器的低頻增益計(jì)算計(jì)算 CGD 的密勒乘積項(xiàng)的密勒乘積項(xiàng).第15頁/共49頁2021-10-1817 DBGDDBGSGDGSDSDBGDDGSSGDDmSDBGDDBGSGDGSDSppCCCCCCRRCCRCRCRgRCCCCCCRR 1 1112 第二極點(diǎn)為第二極點(diǎn)為 SDBGDDG

10、DDmGSRCCRCRgC 1 DBGDDDBGSGDGSDSGSSpCCRCCCCRRCR 12 若若,則則第16頁/共49頁2021-10-1818式式(6.23)的傳輸函數(shù)顯示有一個(gè)零點(diǎn)的傳輸函數(shù)顯示有一個(gè)零點(diǎn), ,它是由于它是由于輸入和輸出通過輸入和輸出通過 CGD 直接耦合產(chǎn)生的直接耦合產(chǎn)生的.GDmzCg 根據(jù)傳輸函數(shù)可知根據(jù)傳輸函數(shù)可知,當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), ,即輸出接地即輸出接地,且輸出短路電流且輸出短路電流為為0,則有則有0)(zoutsV如何計(jì)算零點(diǎn)如何計(jì)算零點(diǎn) ?zszss 11VgsCVmzGD GDmzCgs 第17頁/共49頁2021-10-1819例例6.5 ,計(jì)算電路的

11、傳輸函數(shù)計(jì)算電路的傳輸函數(shù)(課后練習(xí)課后練習(xí))0112 sCCRCRCRgRsRRRgsCsVVDBGDDGSSGDDmSDSDmGDinout)()()()(sCCgRsRgsCsVVDBGDmSSmGDinout)()()( 12于于是是, DR第18頁/共49頁2021-10-1820輸入阻抗的計(jì)算輸入阻抗的計(jì)算a.近似計(jì)算近似計(jì)算:根據(jù)密勒定理可以得到根據(jù)密勒定理可以得到 sCRgCZGDDmGSin11 b.高頻時(shí)高頻時(shí),考慮輸出結(jié)點(diǎn)對輸入的影響考慮輸出結(jié)點(diǎn)對輸入的影響 XGDXDBDDXmX1VsCIsCRRVgI sCRRgsCsCCRIVXXDBDDmGDDBGDD11 總的輸

12、入阻抗為上式與總的輸入阻抗為上式與 的并聯(lián)的并聯(lián). sCGS1第19頁/共49頁2021-10-1821mbmmgggAV (a)考慮右圖所示的電路考慮右圖所示的電路,如何利如何利用密勒定理用密勒定理,求輸入結(jié)點(diǎn)的總電求輸入結(jié)點(diǎn)的總電容容? mbmmbGSmbmmGS1gggCgggC 源跟隨器的低頻增益為源跟隨器的低頻增益為CGS在輸入結(jié)點(diǎn)的密勒項(xiàng)為在輸入結(jié)點(diǎn)的密勒項(xiàng)為總的輸入電容為總的輸入電容為 GDmbmmbGSCgggC 第20頁/共49頁2021-10-1822(b) 利用等效電路求源跟隨器的傳輸函數(shù)利用等效電路求源跟隨器的傳輸函數(shù)( ).0outmGSL1Lout1mGS1 Vgs

13、CsCVsCVVgsCV out1GDout1GS1SinVVsCVVsCVRV 列輸出結(jié)點(diǎn)的列輸出結(jié)點(diǎn)的KCL方程方程,有有列輸入回路的列輸入回路的KVL方程方程,有有第21頁/共49頁2021-10-1823于是得到電路的傳輸函數(shù)為于是得到電路的傳輸函數(shù)為 LGDGDGSLGSmGSLGDSm2SGSminout)(CCCCCCgsCCCRgsRsCgsVV 其中，其中，假設(shè)兩個(gè)極點(diǎn)相距較遠(yuǎn)假設(shè)兩個(gè)極點(diǎn)相距較遠(yuǎn),則主極點(diǎn)的值為則主極點(diǎn)的值為mGSLGDSGSLGDSmm11gCCCRCCCRggp ., 0GSLmp1SCCgR 則則若若第22頁/共49頁2021-10-1824 (CGD

14、與輸入并聯(lián)與輸入并聯(lián),先忽略先忽略.)(c)電路的輸入阻抗電路的輸入阻抗 sCgsCIgIsCIVXXXXLmbGSmGS11 sCgsCgsCZinLmbGSmGS1111第23頁/共49頁2021-10-1825,LmbsCg頻率較高時(shí)，頻率較高時(shí)，2LGSmLGSin11sCCgsCsCZ 由上面的表達(dá)式可以看出由上面的表達(dá)式可以看出,對給定的對給定的 , 輸入阻抗呈現(xiàn)負(fù)輸入阻抗呈現(xiàn)負(fù)阻特性阻特性.負(fù)電阻為負(fù)電阻為js 2LGSmin CCgR等效輸入電容為等效輸入電容為 ,與密勒定理計(jì)算結(jié)果與密勒定理計(jì)算結(jié)果一致一致.,LmbsCg頻率較低時(shí)，頻率較低時(shí)，mbmbmGSin111ggg

15、sCZ mbmmbGSingggCC sCgsCgsCZLmbGSmGSin1111第24頁/共49頁2021-10-1826(d)電路的輸出阻抗電路的輸出阻抗忽略體效應(yīng)和忽略體效應(yīng)和CSB產(chǎn)生的與輸出并聯(lián)的阻產(chǎn)生的與輸出并聯(lián)的阻抗抗,且忽略且忽略CGD .于是得到等效電路如圖于是得到等效電路如圖.X1SGS1X1mGS1VVsRCVIVgsCV sCgsCRIVZGSmGSSXXout1 當(dāng)當(dāng)很低時(shí)很低時(shí),mout1gZ SoutRZ 當(dāng)當(dāng)很高時(shí)很高時(shí),第25頁/共49頁2021-10-1827例題例題:求電路的傳輸函數(shù)求電路的傳輸函數(shù).LSBGSYGSGDXYDBGDXCCCCCCCCCC

16、 121221,Y結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)的KCL方程方程:11111 mXYYoutYoutmXYgsCsCVVsCVVgsCV 第26頁/共49頁2021-10-1828X結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)的KCL方程方程:SoutinXYmXoutoutRVVVsCVVgsCVVVV 112212)(將將V1代入上式代入上式,于是得到傳輸函數(shù)為于是得到傳輸函數(shù)為 XYYYXXYXSmmXYSmXSmYSXYminoutCCCCCCRggsCRgCRgCsRsCgsVV 其中，其中，21212111)(當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí),上述表達(dá)式具有與源跟隨器的傳輸函數(shù)相同的上述表達(dá)式具有與源跟隨器的傳輸函數(shù)相同的形式形式.02mg第27頁/共49

17、頁2021-10-1829)1)(1(1)(1)()(outinSmbmDmbminoutssRggRggsVV 6.4 共柵級(jí)共柵級(jí)a.忽略溝長調(diào)制效應(yīng)忽略溝長調(diào)制效應(yīng),可得到電路的傳輸函數(shù)為可得到電路的傳輸函數(shù)為1111/ mbmSSinggRC 1 DDoutCR該電路的優(yōu)點(diǎn)該電路的優(yōu)點(diǎn):沒有電容的密勒乘積項(xiàng)沒有電容的密勒乘積項(xiàng),可達(dá)到寬帶可達(dá)到寬帶.第28頁/共49頁2021-10-1830b. 輸入阻抗輸入阻抗0 時(shí)時(shí),電路的輸入阻抗為電路的輸入阻抗為 ombmoLinrggrZZ 1 1 ombmrgg若若,則則 mbmombmLinggrggZZ 1 sCRZDDL1 其中其中,

18、Zin取決于取決于ZL,很難將極點(diǎn)與輸入結(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來很難將極點(diǎn)與輸入結(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來.要利用等效電要利用等效電路計(jì)算傳輸函數(shù)路計(jì)算傳輸函數(shù).第29頁/共49頁2021-10-1831例題例題: ,計(jì)算電路的傳輸函數(shù)和輸入阻抗計(jì)算電路的傳輸函數(shù)和輸入阻抗. 111VVRsCVsCVsCVsCVISR inSinLoutinLoutsRCVsRCVVSininSLout 110outmLouto)(VVVgsCVr 11第30頁/共49頁2021-10-1832 111)(2 sRCrgRCCrsRCCrrgsVVSLomSinLoSinLoominout mbmombmLinggrggsCZ 111

19、s或或CL增加時(shí)增加時(shí),inmbmSinpmbminCggRggZ 11,1,于是得到電路的傳輸函數(shù)為于是得到電路的傳輸函數(shù)為電路的輸入阻抗為電路的輸入阻抗為為什么在高頻情況下，為什么在高頻情況下，Zin變得與變得與CL無關(guān)呢？無關(guān)呢？第31頁/共49頁2021-10-18336.5 共源共柵級(jí)共源共柵級(jí)這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：提高放大器的電壓增益提高放大器的電壓增益提高電流源的輸出阻抗提高電流源的輸出阻抗輸入阻抗高（同輸入阻抗高（同CS級(jí)）級(jí)） M2無密勒效應(yīng)，速度快無密勒效應(yīng)，速度快輸出、輸入隔離作用輸出、輸入隔離作用第32頁/共49頁2021-10-1834利用密勒定理計(jì)

20、算電路的極點(diǎn)利用密勒定理計(jì)算電路的極點(diǎn)( ) .對于結(jié)點(diǎn)對于結(jié)點(diǎn)A: CGD1的密勒項(xiàng)為的密勒項(xiàng)為 11GDVCA mb2m2m1AXVgggVVA AV用用X點(diǎn)到點(diǎn)到A點(diǎn)的低頻增益近似點(diǎn)的低頻增益近似,則則于是得到與結(jié)點(diǎn)于是得到與結(jié)點(diǎn)A相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為 GD1mb2m21GS1SAp,11CgggCRm0第33頁/共49頁2021-10-1835X點(diǎn)點(diǎn)“看到地看到地”的電阻為的電阻為mb2m2X1ggR X點(diǎn)點(diǎn)“看到地看到地”的電容為的電容為GS2SB2DB1GD1GS2SB2DB1GD1m1mb2m22 1CCCCCCCCgggCX GS2SB2DB1GD1mb2m2Xp,2C

21、CCCgg 與結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)X相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為對于結(jié)點(diǎn)對于結(jié)點(diǎn)X：第34頁/共49頁2021-10-1836對于結(jié)點(diǎn)對于結(jié)點(diǎn)Y：與結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)Y相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為相關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)為Y點(diǎn)點(diǎn)“看到地看到地”的電容為的電容為GD2LDB2YCCCC GD2LDB2DYp,1CCCR )1)(1)(1()(Yp,Xp,Ap,Dminout sssRgsVV第35頁/共49頁2021-10-1837例題例題:忽略與忽略與M1有關(guān)的電容有關(guān)的電容,假設(shè)假設(shè) ,計(jì)算傳輸函數(shù)計(jì)算傳輸函數(shù).0sCIsCVgsCVIsCIsCVgsCIsCVgIsCIsCVVorXinYoutm2YoutXinYoutm2XinY

22、outm2D2XinYoutX2 第36頁/共49頁2021-10-1838 srCCCrgsCrgIVo2YXYo2m2Xo2m2inout1111 于是得到于是得到, 1, 1XYo2m2o2m2CCrgrg若若sCCCgsCgIVYXYm2Xm2inout1 sCgsCCggVV Xm2XYm2m1inout1傳輸函數(shù)為傳輸函數(shù)為outXinYouto2XinYoutm2YoutVsCIsCVrsCIsCVgsCV 第37頁/共49頁2021-10-1839忽略忽略CGD1和和CY ,求電路的求電路的輸出阻抗輸出阻抗.sCrsCrZrZrgZXoXoXoXomout111222111可見

23、可見, 包含一個(gè)極點(diǎn)包含一個(gè)極點(diǎn)outZXopCr11當(dāng)當(dāng)outXpZZ,時(shí)第38頁/共49頁2021-10-18406.6 差動(dòng)對差動(dòng)對a. 基本差動(dòng)對的基本差動(dòng)對的差模信號(hào)差模信號(hào)的頻率特性的頻率特性.差模信號(hào)的頻率特性差模信號(hào)的頻率特性:利用半邊電路的概念利用半邊電路的概念,我們可以知道差模我們可以知道差模響應(yīng)與共源級(jí)相同響應(yīng)與共源級(jí)相同,且極點(diǎn)數(shù)相同且極點(diǎn)數(shù)相同.第39頁/共49頁2021-10-1841對于共模信號(hào)對于共模信號(hào),我們得到如圖所示的等效電路我們得到如圖所示的等效電路:b. 基本差動(dòng)對的基本差動(dòng)對的共模信號(hào)共模信號(hào)的頻率特的頻率特性性.電路完全對稱時(shí)電路完全對稱時(shí),忽略溝長調(diào)制效應(yīng)忽略溝長調(diào)制效應(yīng),電路的共模增益為電路的共模增益為 SSmDVRgRA 212sCrRPoSS1/3 LDDsCRR1/ 第40頁/共49頁2021-10-1842考慮考慮M1與與M2的失配的失配,即即 gm1gm2 的情的情況況,高頻共模增益可用下式進(jìn)行計(jì)算高頻共模增益可用下式進(jìn)行計(jì)算: SSm2m1DmCMV,1RggRgA Po3SS1/sCrR