1、2022-4-301第9章 高頻放大器設計張藝蒙張藝蒙西安電子科技大學微電子學院2022-4-302高頻放大器l高頻小信號放大電路分為窄頻帶放大電窄頻帶放大電路路和寬頻帶放大電路寬頻帶放大電路兩大類。l窄頻帶放大電路窄頻帶放大電路對中心頻率附近的微弱信號進行不失真的放大, 故不但需要有一定的電壓增益, 而且需要有選頻能力。l寬頻帶放大電路寬頻帶放大電路對較寬頻帶內的微弱信號進行不失真的放大, 故要求放大電路故要求放大電路的下限截止頻率很低的下限截止頻率很低( (有些要求到零有些要求到零頻即直流頻即直流), ), 上限截止頻率很高上限截止頻率很高2022-4-3032022-4-304開路時間常

2、數法 開路時間常數（OCs)也稱為“零值”時間常數。它適合于傳輸函數只包括極點，零點都在無窮大處，也就是一個只包含電阻、電源和m個電容的隨意的線性網絡，那么： （1）計算面向每一第j個電容的等效電阻Rjo，計算時去掉所有其它電容計算時去掉所有其它電容 （2）對每個電容求出積jo=RjoCj (3)求所有m個這樣的“開路”時間常數和 (4)mjjjoesthCR1,1(1)開路時間常數法能指出限制帶寬的主要因素（元件）開路時間常數法能指出限制帶寬的主要因素（元件）(2)估計的帶寬往往比較低，精確的計算需要模擬器估計的帶寬往往比較低，精確的計算需要模擬器(3)是高頻模型，低頻零點使計算不正確，因該

3、去掉那些對增益增加沒有貢獻的是高頻模型，低頻零點使計算不正確，因該去掉那些對增益增加沒有貢獻的耦合電容；耦合電容；（4)時間常數和極點不是一一對應的。時間常數和極點不是一一對應的。2022-4-305設計實例(3)如圖所示是一個具有兩個源跟隨器的共源如圖所示是一個具有兩個源跟隨器的共源-共柵放大器共柵放大器通過計算增益為通過計算增益為-8。采用開路時間法計算得到的。采用開路時間法計算得到的BW=2.1Grps（340MHz） 模擬結果為模擬結果為540MHz。Rs=2KRL=1KVINM2CL=1pFM3VBIAS5VM43mA3mA采用兩級或多極放大采用兩級或多極放大2022-4-3069.

4、2 利用零點增大帶寬VoutRCMV1VinL 突破開路時間常數的所依賴的條件，擴展帶寬的思路： 把零點或復數極點引入到傳遞函數中小心的構造一個高階系統。 -并聯補償放大器并聯補償放大器。2022-4-307利用零點增大帶寬右圖是小信號模型，傳遞函數vout/iin就是RLC網絡的阻抗。電感擴展帶寬的原理RLC網絡的阻抗： 除一個零點外，上式還有兩個極點（有可能是復數），不符合開路時間常數的方法。1 1)/(1|)()(2sRCLCsRLsRsCRsLsZVoutC11nR11kI10AdcL110uH放大器增益放大器增益=gm Z(s),下面研究后者和頻率間的函數關系。下面研究后者和頻率間的

5、函數關系。2222)()1 (1)/()(RCLCRLRjZ2022-4-308利用零點增大帶寬RLRCm/條件條件m歸一化后歸一化后的帶寬的帶寬歸一化后的歸一化后的峰值頻率響峰值頻率響應應最大帶寬最大帶寬-1.41-1.851.19|Z|=R=1/RC2-1.81.03最大平坦度的頻率響應最大平坦度的頻率響應-2.41-1.721最佳群延遲最佳群延遲-3.1-1.61無并聯情況無并聯情況11提出要求提出要求2022-4-309并聯補償：一個設計實例 漏端等效電容為1.5pF,負載電阻為100，設計一個1.5GHz的共源寬帶放大器作為一個相位調整信道模塊提高增益。如果沒有電感，則帶寬為1GHz

6、。取m=3.1 則 Ceff=1.5pF0.1KRsVoutVdd4.8nHVinnHCRL8 . 41 . 32圖中帶寬估計為1.7GHz，而且功耗沒有增加，Q=0.52022-4-3010采用零點來抵消極點來增大帶寬CCLRLRsVoutVinR9meg探針頭CprobeCscope1 meg10:1探針頭模型，Rin=10M，帶寬200MHz。零點成峰共源放大器2022-4-3011二端口網路帶寬增大電路VoutL2CLRsVinL1RL帶有并聯和串聯補償的放大器沒有L1時，只采用串聯補償時：L2=R2C/mm=2 最大帶寬為m=3最大平坦群延遲且帶寬為1.3622022-4-3012二

7、端口網路帶寬增大電路RsCLL3VoutRLL1VinL2并聯與雙串聯補償電路流入負載的電流由于L1的存在而被延遲，加速了負載電容的充電。最初一段器件只需對自己的輸出電容充電，因為L3延遲了電流到網絡的其他部分。網絡對電容的充電是串行的而不是并行的。增加延遲換取帶寬的提高。2022-4-3013反饋 反饋：正反饋、負反饋 正反饋：振蕩（麥克風與揚聲器） 負反饋：穩定（空調自動調溫器,高精度信號處理） 本章只討論負反饋 反饋的作用： 降低增益靈敏度 改變輸入/輸出阻抗 擴展系統帶寬 抑止非線性2022-4-3014反 饋X(s)：輸入信號：輸入信號Y(s)：輸出信號：輸出信號Y(s)/ X(s)

8、：閉環閉環傳輸函數，傳輸函數，閉環增益閉環增益H(s)：前饋網絡；：前饋網絡；開環開環傳輸函數，傳輸函數，開環增益開環增益G(s)：反饋網絡；若與頻率無關，可用：反饋網絡；若與頻率無關，可用 代替代替H(s) G(s)：環路增益環路增益 ：反饋系數：反饋系數反饋放大器由前饋網絡；檢測輸出的方式；反饋網絡和產生反饋誤差的反饋放大器由前饋網絡；檢測輸出的方式；反饋網絡和產生反饋誤差的方式四部分組成。方式四部分組成。H(s)的輸入可以認為是“虛地”2022-4-3015反饋：閉環傳輸函數Y(s) H(s)X(s) G(s)Y(s)Y(s)X(s)H(s)1 G(s)H(s)2022-4-3016反饋

9、的特性1：降低增益靈敏度AdAAAdAAdAdAifAAAAXYACLCLCLCL1111) 1A ( 11112A稱為環路稱為環路增益增益閉環增益和精度閉環增益和精度之間折中之間折中2022-4-3017增益靈敏度降低的例子簡單共源級11211112112111 largefor , 1111omomomINOUToutXXinomXoutrgCCrgCCrgVVsCVVsCVVrgVV以上二式聯立，得與與gmro1相比，這個相比，這個增益的表達式是兩增益的表達式是兩個電容之比，因此個電容之比，因此增益能更精確控制增益能更精確控制2022-4-3018反饋的特性2：改變輸入/輸出阻抗0,0(

10、)1XMXXXoutoutXoutout CLXVVVAVIRRVRRIA 2022-4-3019負反饋改變阻抗的例子共柵電路211211,211112112111121111,111)()()(1CCCRgggIVRCCCRVgggVggICCCRVggCCCVVggRDmmbmXXclosedinDXmbmmXmbmXDXmbmoutPmbmopenin2022-4-3020反饋的特性3： 擴展帶寬000000000011111111 AsAAsAsAAAAsAAGivenCL2022-4-3021帶寬擴展前后的波特圖擴展后擴展前帶寬的增大帶寬的增大來源于反饋來源于反饋降低增益靈降低增益靈

11、敏度的特性敏度的特性單極點系統單極點系統增益與帶寬增益與帶寬的乘積不隨的乘積不隨反饋變化反饋變化2022-4-3022反饋的特性4：抑止非線性2022-4-30239.3并聯-串聯放大器 不同于我們已經學習的開環結構，設計寬帶放大器的另一不同于我們已經學習的開環結構，設計寬帶放大器的另一種方法是采用負反饋。種方法是采用負反饋。 并聯并聯-串聯采用了并聯合串聯反饋的組合，其主要優點是串聯采用了并聯合串聯反饋的組合，其主要優點是它的它的輸入輸出阻抗在一個很寬的頻率范圍內比較恒定，且輸入輸出阻抗在一個很寬的頻率范圍內比較恒定，且設計比較容易設計比較容易。RLVinRoutRinRFR1RsVout2

12、022-4-3024并聯-串聯放大器11,11RRgggmmeffmLFLtestLFLFtesteffmoutRRRvRRRRvgv,LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低頻增益和輸入輸出電阻低頻增益和輸入輸出電阻2022-4-3025并聯-串聯放大器LFEFELVFeffmFLmLtestoutVRRRRRRARgRRRgRRvvA,111111111RLVinRoutRinRFR1RsVout低頻增益和輸入輸出電阻低頻增益和輸入輸出電阻sEsFEseffmSFtesttesto

13、utLELFEvFinRRRRRRgRRivRRRRRRARR)(1)(1,Rin=Rout ？設計時已知設計時已知Av，首先得到，首先得到RF然后計算然后計算R12022-4-3026并聯-串聯放大器 帶寬與輸入輸出阻抗RLVinRoutRinRFR1RsVoutmgsVoutvgdmgsingdmgsVgRCALACRgCCRCgCABW211222022-4-30279.4采用ft倍頻器增大帶寬gdgsmtCCgf2減小輸入電容而不降低跨導，ft就會增加差分對是一個ft的倍頻器達靈頓對作為ft的倍頻器Battjes的ft的倍頻器漏源漏ioM1漏M3漏漏M2柵源IbiasM1M3漏漏漏io

14、柵2022-4-30289.5 調諧放大器 帶單個調諧負載的共源放大器MVoutLCRVin不取決于中心頻率的增益帶不取決于中心頻率的增益帶寬積寬積CgRCRgBWGmm1具有單個調諧負載的放大器具有單個調諧負載的放大器2022-4-3029調諧放大器(1 1 gsmgdeqmgdeqrRgCRgCCVoutVinRMCRsLVoutLVinrggmvgsCgdRsRCCgs2022-4-30309.6 中和與單向化RsCVbiasVinMMVoutLRLMRVinVoutVbiasMCRs具有單個調諧負載的共源-共柵放大器具有單個調諧負載的源極耦合放大器RsC2VinVbiasC3CMRRs

15、RCLL經過中和的共源放大器2022-4-3031分布式放大器分布式放大器的原理。圖 ( a) 為普通的集總放大器, RG 為柵極偏置電阻, RD 為負載電阻,W為MOS 管的寬度。圖 ( b) 為電感分布式放大器, 將圖 ( a) 中的MOS 管分為三個等寬的小MOS 管, 每個小MOS 管的寬度為原來MOS 寬度的三分之一, 三個小MOS 之間用電感LO 和LI 連接在一起。在低頻時, 電感LO 和LI 都可以看成短路, 這時圖 (b)和圖( a) 的電路是等價的。但是, 在高頻的在高頻的時候時候, MOS 管的柵極寄生電容和漏極寄生電容以及輸入輸出部分的電容都可以由電感管的柵極寄生電容和

16、漏極寄生電容以及輸入輸出部分的電容都可以由電感LO 和和LI 來吸收。我們稱電感來吸收。我們稱電感LO 和和LI 為人工傳輸線為人工傳輸線, 那么這個放大器的帶寬就由人工傳輸線的截止頻率那么這個放大器的帶寬就由人工傳輸線的截止頻率決定。這就是分布式放大器的工作原理。決定。這就是分布式放大器的工作原理。2022-4-3032分布式放大器顯然, 我們可以把該原理一般化, 即將MOS 管分為N 個部分, N個部分間用電感連接。我們來計算分為N 個部分時的帶寬。輸出傳輸線的特征阻抗是ZTLO, 在低于截止頻率時是由電感LO 和漏極寄生電容CO/N 決定的( 每級管子的大小為原來的1/N) 。可以得到如

17、下的關系:要求傳輸線阻抗和負載電阻要求傳輸線阻抗和負載電阻RD 相匹配避免反射相匹配避免反射, 我們發現電感我們發現電感LO=R2DCO/N 時滿時滿足要求。輸出傳輸線的截止頻率可以表示為足要求。輸出傳輸線的截止頻率可以表示為:可見, 輸出截至頻率為普通集總放大器的2N 倍。2022-4-3033分布式放大器 如果我們假定輸入傳輸線和輸出傳輸線是一樣的( 即CI=CO, RG=RD, 具有相同的截止頻率和相同的阻抗) , 這樣對輸入截止頻率也有相同的改善, 則整個放大器的帶寬擴展了2N 倍。 在理論上, 我們可以將放大器分為足夠多級(N- ) 來實現帶寬的無限擴展, 但是在實際應用中, 級數一般被限定在4- 7, 主要是因為人工傳輸線存在損耗。2022-4-3034分布式放大器用一小段傳輸線來代替電感, 如圖所示。在這種情況下傳