CMOS模拟与混合信号集成电路设计:创新与实战
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3.7 宽带放大器技术

3.7.1 源和负载

为了消除输出级分压器上的放大损耗,必须形成输出阻抗和负载阻抗的最佳组合。电压放大器和电流-电压转换器电路的简化等效电路如下。电压放大器和电流-电压转换器以及电流放大电路和电压-电流转换器的输出级见图3.38。

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图3.38 电压放大器和电流-电压转换器的输出级(图a),电流放大器和电压-电流转换器的输出级(图b)

为了提高增益,令

ZL/(Zout+ZL)→1

或者Zout/ZL≪1,这样我们将获得高输出电压:

Yout=1/Zout

通过令

ZL/Zout≪1

可以获得较高的增益。

对于放大器、电流转换器和电压转换器,输入信号源阻抗和相关电路的输入阻抗的比值应保持如下(见图3.39):

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图3.39 电压源输入(图a)和电流源输入(图b)

3.7.2 级联和反馈

较低频率下的增益降低取决于外部电路元件的特性,而较高频率下的增益降低则取决于电路本身的参数。米勒效应导致放大器带宽减小。为了控制这种效果,即加宽带宽,有必要将放大器的输出与其输入“隔离”,级联连接最常用于此目的,见图3.40和图3.41。

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图3.40 共源共栅放大器

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图3.41 简化共源共栅电路

图3.42显示了增益和带宽之间的折中。图3.43和图3.44显示了两种不同的情况。同相运算放大器和反相运算放大器反馈如图3.45和图3.46所示。局部反馈(例如串并联、串联或并联反馈)通常在模块设计中出现,如图3.47所示。图3.48显示了不同局部反馈的阻抗调节。

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图3.42 增益和带宽的折中

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图3.43 一级解决方案

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图3.44 二级解决方案

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图3.45 同相运算放大器拓扑结构

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图3.46 反相运算放大器拓扑结构

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图3.47 串联反馈(图a)和并联反馈(图b)

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图3.48 在不同放大器的级联中设计Zin和ZL的参考

在设计宽带放大器时,使用局部反馈(FB),并且优化了每个单元的带宽。图3.49显示了电压放大器的宽带电路示例,在高频区域,具有源极耦合结构电路更有利,并且晶体管被用在共漏极(CD)和共栅极(CG)电路(T1)和(T2)中。这是差分级的一种特殊情况,这里的主要区别是不对称电路。在该电路中,输入臂中的漏极电容最小,连接共栅晶体管将电流放大转换为电压放大。如图3.50所示。

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图3.49 电压放大器的宽带电路示例

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图3.50 高频放大器