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实操3 – 提高增益的方法

提高增益的方法

随着集成电路工艺和技术的持续发展,表征特征尺寸的晶体管沟道长度不断等比例缩小,单个晶体管的放大能力越来越弱 (晶体管放大倍数与沟道长度成正比),拿我们实操中使用的 0.13um CMOS工艺来说,一般单个晶体管的增益是25dB左右,参看图1 ,换算成放大倍数就是十多倍,

IB=10uA, VB=500mv, Vdd=1.2v, VAC=20mv

晶体管参数:I=130nm, W=280nm; 宽长比 = 28/13;

负载电容 CL=1pF

直流静态工作点如下图标注:

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图1    单个晶体管放大电路直流静态工作点

 

从图2 中可以得到:增益 G= 27.6dB, 带宽 BW= 17.5MHz

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图2    单个晶体管放大电路增益和带宽

 

这里所说增加增益的最常见设计技术,不是指把几个放大电路级联 (Cascade )放置 (几个放大电路串联起来,一个放大电路的输出进入到另一个放大电路的输入,每个放大电路称为一个级 Stage),而是不增加级数的设计技术,这样放大电路的稳定性容易保证;

将共栅电路放置在单晶体管共源放大器之上是增加增益的最常见设计技术之一, 称为共源共栅 (Cascode ), 如图3。 每当需要更多增益时,就会使用这种结构; 其他增益技术包括增益增强 ( gain boosting ),折叠式共源共栅 () 和伸缩式共源共栅 ( Telescopic Cascode ) 等电路结构。

 

  1. 共源共栅

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图 3    共栅电路放置在共源放大器上 – 共源共栅 (右侧)

 

用 Virtuoso 设计工具做的电路原理图如下图所示:

IB=10uA, VB=500mv, Vdd=1.2v, VAC=20mv,VNM1=500mv , VNM2=650mv

晶体管参数:I=130nm, W=280nm; 宽长比 = 28/13;

负载电容 CL=1pF

直流静态工作点如下图标注:

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图4    共源共栅放大电路直流静态工作点

 

从图5 中可以得到:增益 G= 49.4dB, 带宽 BW= 17.6MHz

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图5    共源共栅放大电路增益和带宽

 

从上述模拟结果可以看出,在不增加电流源的情况下,即功耗没有明显增加,通过采用共源共栅结构,在只增加一个晶体管的情况下,增益有显著的增加 ( 大于20dB ),因此该方法是最常用的提高增益的方法。

 

2. 折叠式共源共栅 (Folded Cascode)

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图5    折叠式共源共栅

 

Ip=5uA, In=10uA, Vp=500mv, Vn=430mv,Vdd=1.2v, VAC=20mv

晶体管参数:In=130nm, Wn=280nm; Ip=130nm, Wp=560nm

负载电容 CL=1pF

直流静态工作点如下图标注:

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图6    折叠式共源共栅直流静态工作点

 

从图7 中可以得到:增益 G= 59.1dB, 带宽 BW= 11.4MHz,

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图7    折叠式共源共栅增益和带宽

 

3. 调节式共源共栅或增益增强 (Regulated Cascode or Gain Boosting)

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图8    共源共栅(左侧)和增益提升 (右侧)

 

I1=10uA, I2=15uA, Vdc=500mv, Vdd=1.2v, VAC=20mv;

晶体管参数:In=130nm, Wn=280nm; Ip=130nm, Wp=560nm

负载电容 CL=1pF

直流静态工作点如下图标注:

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图9    增益提升电路的直流静态工作点

 

从图10 中可以得到:增益 G= 56.9 dB, 带宽 BW= 18.0MHz

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图 10    增益提升电路的增益和带宽

 

4. 伸缩式共源共栅 ( Telescopic Cascode )

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图 11    伸缩式共源共栅电路

Vp1=700, Vp0=600, Vn1=600mv, Vn0=420mv, Vdd=1.2v, VAC=20mv;

晶体管参数:In=130nm, Wn=280nm; Ip=130nm, Wp=560nm

负载电容 CL=1pF

直流静态工作点如下图标注:

 

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图 12    伸缩式共源共栅电路的直流静态工作点

 

从图13 中可以得到:增益 G= 39.3dB, 带宽 BW= 6.4MHz

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图 13    伸缩式共源共栅电路的增益和带宽

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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