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电子电路大全(PDF格式)-第46部分

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                                                                       (9…36)  



    用零值时间常数分析方法'Gray,1993'可以求出更加准确(虽然仍然不准确)的估算。 



这种分析技术的优势是在确定总的-3dB频率中能够对每个电容的相对重要度有些理解。分 



析的小信号模型如图 9…12 所示,其中  



         C   =C     +C    +C 

           s 2   db1   sb 2   gs 2 

                                                                      (9…37)  



         C   =C     +C     +C   +C 

          d 2    gd 2   db 2   L    bias                                 (9…38)  



      

                                                                               



                          图 9…12 共源共栅增益级的小信号模型  



    在零值时间常数分析中,所有独立源极都设为零(这里Vin设为 0V),每个电容都依次 



                                                      τ                        ω 

将其它电容设为零时加以考虑,求出相应的时间常数并用  Ci  标明。然后,-3dB频率  …3dB 



推算为 1 除以所有时间常数的总和。  



                                                C                              C 

    在这个电路中,求出的第一个时间常数是对应  gs 1 的时间常数,表示为τC                                  。  gs 1 看 



                                                                          gs 1 



到的电阻为Rin,因此  



        τ =C       R                                                  (9…39)  

          Cgs 1  gs1 in 



         C                                                            C 

    对应  gd 1 的时间常数的计算更多,所以在它的计算中使用正式方法。 gd 1 用一个电压 



                     C 

源Vx替换。接下来,   gd 1 看到的电阻通过计算Vx和ix(离开Vx的电流)的比求得。最后 



84    


…………………………………………………………Page 533……………………………………………………………

                              C                                                           R 

的时间常数用这个电阻乘以  gd 1 。这个分析的小信号模型如图 9…10 所示,其中电阻  d 1 在 



          r 

低频下是 ds 1 和M2(共源共栅晶体管)源极看进去的阻抗的并联。图 9…13(b)的电路本质上 



与图 9…13(a)的电路相同,它用来求源极退化镜像电流源的输出阻抗。我们有  



          v   =i  R 

           y     x in 

                                                                         (9…40)  



        

                                                                                       



                    a)                                   b)  



                                          C 

                        图 9…13  用于计算       gd 1 看到的电阻的两个等效小信号模型  



     而且  



               (        ) 

          ix = vx  …vy   Gd 1  …g m1vy 

                                                                           (9…41)  



                                     v  / i 

     将式(9…40)带入式(9…41)解得 x                x  得  



                   v 

                     x               (           ) 

          rCgd 1 =  =Rd 1 '1+Rin      Gd 1  +g m1 ' 

                    i 

                    x 

                                                                             (9…42)  



     求出共源共栅晶体管M2 的源极看进去的导纳,即  



          Y   ≈g 

          s 2     ds                                                    (9…43)  



                             r 

     阻抗Rd1 是这个导纳和 ds 1 的并联,因此有  



                 r 

          R    ≈ ds 

            d 1 

                  2 

                                                                        (9…44)  



     将这个结果带入式(9…42)有  



                                                                                              85  


…………………………………………………………Page 534……………………………………………………………

                  r 

                   ds '      (           )' 

          rCgd 1 ≈  1+Rin     2g ds +g m1 

                   2 

            r 

             ds (          ) 

          ≈  1+g m1Rin 

             2                                                              (9…45)  



     由此  



                                   r 

                     τCgd 1 ≈Cgd 1  ds (1+g m1Rin ) 

                                    2 

                                                                            (9…46)  



                                         r 

     如果Rin很大,如在晶体管输出阻抗 ds                    的量级上,那么这个时间常数近似为  



                                       2 

                                   g m rds 

                     τC     ≈C 

                        gd 1    gd 1 2                                   (9…47)  



     这个时间常数可能大到一个共源放大器的响应时间常数那么大―这个情况还不是很清 



楚。  



          C                 r                                              r 

     电容  s 2 看到的电阻为 ds 1 与M2 源极看进去的阻抗的并联,得近似为 ds                              ,有  



                                   r 

                      τC    ≈C     ds 

                         s 2    s 2 

                                   2 

                                                                        (9…48)  



                                                               (g  r 2  )/ 2 

     Cd2 看到的电阻式共源共栅放大器的输出阻抗,近似得为                                  m ds    。因此,Cd2 的时 



间常数为  



                                       2 

                                   g m rds 

                      τC    ≈C 

                         d 2    d 2 

                                     2                                  (9…49)  



     注意:这个时间常数与式(9…47)具有相同的形式,但是Cd2 一般要比Cgd1 大得多(因 



                    τC 

为CL一般很大),让             d 2  起主要作用。  



     时间常数的和为  



                      τ  ≈τ  +τ  +τ  +τ 

                               C       C       C      C 

                        total    gs 1    gd 1    s 2    d 2 



                                            2                      2 

                                        g m rds      rds       g m rds 

                       ≈C    R   +C           +C        +C 

                           gs 1 in   gd 1 2       s 2 2     d 2  2             (9…50)  



               ω             1/τ 

     -3dB频率  …3dB  推算为           total 。  



     例:假设对于输入晶体管和共源共栅晶体管,其中, g m                                 =1mA / V ,rds=100kΩ, 



86    


…………………………………………………………Page 535……………………………………………………………

Rin =180kΩ CL       =5pF      Cgs  =0。2pF      Cgd  =15fF     Csb  =40fF      Cdb =20fF 

              ,             ,               ,               ,              ,               , 



推算图 9-11 的共源共栅放大器的-3dB频率。  



     解:每个电容的时间常数用下式推算:  



                    Cs 2 =Cdb1  +Csb 2 +Cgs 2 =0。26pF 

                   

                                                           



                    Cd 2 =Cgd 2  +Cdb 2 +CL  +Cbias  =5。055pF 

                                                                   

                   



     有  



                    τC    =C    R   =36ns 

                       gs 1   gs 1 in 

                                              

                   



                                      2 

                                  g m rds 

                    τC     ≈C           =75ns 

                       gd 1   gd 1  2 

                   

                                                  



                                r 

                    τC    ≈C     ds =13ns 

                       s 2    s 2 

                                 2 

                   

                                             



                                     2 

                                 g m rds 

                    τC    ≈C           =25。3us 

                       d 2    d 2 

                                   2 

                                                   

                   



     正如期望的,输出节点的时间常数起主要作用,其次重要的时间常数是Cgd1 的时间常 



数 , 虽 然 忽 略 了 Cgd1  在 - 3dB 频 率 上 的 效 应 。 因 此 , - 3dB 频 率 准 确 写 为 



ω  ≈1/τC         =2π×6。3kHz 

  …3dB        d 2 

                                 。  



共源共栅放大器 HSPICE 频率分析  



     M3 通过M6 形成一个共源共栅镜像电流源产生Ibias。选择P沟道晶体管的宽度和长度, 



使得它们的g m  和 rds  与N沟道晶体管的情况相匹配。  



       



     网表:  



     EX8。5 Cascode AMP frequency test  



     。option post=2 numdgt=7 tnom=27  



     Vdd   1   0  dc  5  



     Ibias  6   0   dc  100u  



     M4   6   6   7   1  pmos w=390u  l=2u  



     M5   7   7   1   1  pmos w=390u  l=2u  



     M6   8   7   1   1  pmos w=390u  l=2u  



     M3   2   6   8   1  pmos w=390u  l=2u  



                                                                                          87  


…………………………………………………………Page 536……………………………………………………………

    M2   2   3   4   0  nmos w=100u  l=1。6u  



    M1   4   5   0   0  nmos w=100u  l=1。6u  



     Cl    2   0     0。3p  



     Vbias  3   0   dc  2。5  



     Vin    5   0   dc  0。8425  ac  1  



      



     。op  



     。ac  dec  10  0。1  1000Meg  



     。print  vdb(2)  



     。MODEL nmos NMOS  LEVEL=3,       TOX=1。8E…8,      LD=0。08U,  



     +UO=500,     VMAX=2。0E5,   PHI=0。6,         GAMMA=0。5,      



     +NSUB=2。5E16,    VTO=0。7,       NFS=8。2E11,    CGSO=2。5E…10,                      



     +CGBO=2。5E…10,    CJSW=2。5E…10,  CGDO=2。5E…10,    MJ=0。5,  



     +CJ=2。5E…4,       PB=0。9,  IS=1。0E…16,      JS=1。0E…4        



     +KF=600E…27   AF=0。8         NLEV=2           RS=600                 



     +RD=600           ETA=0。05   KAPPA=0。007            THETA=0。06  



     +ACM=2            XJ=2。7E…7  DELTA=0。7  



     。MODEL pmos PMOS   LEVEL=3,       TOX=1。8E…8,      LD=0。08U,  



     +UO=165,      VMAX=2。7E5,   PHI=0。80,        GAMMA=0。75,                     



     +NSUB=5。5E16,     VTO=…0。7,      NFS=7。6E11,    CGSO=2。5E…10,     



     +CGBO=2。75E…10,    CJSW=3。4E…10,  CGDO=2。5E…10,    MJ=0。5,  



     +CJ=3。7E…4,          PB=0。8,   IS=1。0E…16,      JS=1。0E…4        



     +KF=400E…27    AF=1。0         NLEV=2            RS=1200       



     +RD=1200           ETA=0。12   KAPPA=1。5    THETA=0。135  



     +ACM=2    XJ=2。3E…7    DELTA=0。3  



     。end  



     这个共源共栅放大器的频率曲线如下图所示。直流增益为 80dB(即 10000V/V),-3dB 



频率约发生在 2kHz。  



                                                                                       

                             图 9-14 共源共栅放大器的频率曲线图  



88    


…………………………………………………………Page 537……………………………………………………………

     在结束这一节之前,应对共源共栅增益级的高频性能做一些论述。正如我们刚才看到 



的,一般一个极点起主要作用,这样我们可以合理地模拟放大器增益为  



                                      A 

                            ()         V 

                          A s  = 

                                 1+s / ω 

                                         …3dB                            (9…51)  



                                 ω 

     这样,当频率实际上远大于  …3dB  ,一般为作用的频率束,增益可近似写为  



                            ()      AV       g m1 

                          A s  ≈           ≈ 

                                 s / ω       sC 

                                       3 

                                      dB      L 

                                                                          (9…52)  



                                                  2 

                            g m  g m 2    1 g m                   1       2g 2 

                   AV  ≈            ≈             ω  ≈             ≈  ds 

                                                        …3dB 

     上式利用了式                2g ds g ds 2   2 g ds   和式          Rout CL   g m CL 。还要注 



意:除非任一源极阻抗或源极电容非常大,否则式(8…36)和式(8…52)的近似是很好的。此 



外 , 在 远 大 于 - 3dB 频 率 的 频 率 上 , M2                            源 极 的 导 纳 可 用 式 



       g      g     g        g 

            +  + 

         m 2   s 2   ds 2      m 2 

Y    =                   ≈ 

  in2 

               g ds 2          g ds 2 

           1+              1+ 

                GL             GL   求出,其中GL用 GL         +sCL  代替。这样一个替代的结果 



为  



                     g     g      g 

                         +  + 

              Y    = m 2     s 2   ds 2 

               in2 

                             g ds 2 

                         1+ 

                              G 

                               L 



                      G     +sC        

              =g m 2     L      L      

                      g      G    sC 

                           +  + 

                     ds 2     L     L   



                     G   +sC     

              =g m 2  L      L   

                    g ds 2 +sCL   

                                                                         (9…53)  



               (      ) 

       ω》》1/  r    C                                    Y    =g 

     在           ds L  的频率上,s中的项起主要作用, in2                       m 2  。M2 源极的近似时间常 



数可写为这个极点的总电容除以 g m 2                 。M2 源极的总电容是Cgs 2  并联 Cdb1 并联 Cgd 1 。因为 



这个电容不是特别大而且这个节点的阻抗1/ g m 2  很小,所以这个节点的时间常数一般可忽 



略。但是在带一个小源极阻抗的放大器中,这个节点仍然是决定共源共栅放大器的第二个 



                                                              C         C 

极点的主要因素。M2 源极的时间常数的上限可以简单求出。  db1 并联  gd 1 几乎总是小于 



                                                                                         89  


…………………………………………………………Page 538……………………………………………………………

C                              C 

  gs 2  。因此,M2 源极的总阻抗等于K  gs 2  ,其中:K在 1~2 之间(一般靠近 1)。利用  



                         W 

                          

             g   =μ C     V 

              m 2   p ox      eff 2 

                         L 

                         2 

                                                                   (9…54)  



    上式是对折叠式共源共栅放大器(对伸缩式共源共栅放大器,用μn  大于μp                            ),并利 



用下式  



                            2 

                              ( ) 

             C   =KC    =K    WL   C 

               S 2   gs 2   3     2 ox            
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