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模拟电路实操5- 简单放大电路

简单放大电路

  1. 一级放大电路

最简单的放大电路就是用一个恒流源加一个 CMOS 晶体管构成,当然这个恒流源也可以用一个 nCMOS 晶体管代替,提供一定的电流,为了简单起见和方便调试,这里仍用恒流源作为放大晶体管的负载。

我们从单个晶体管构成的放大电路开始,就是一级放大电路,看这样简单的电路结构可以提供多大的增益,和相应的带宽。

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图1     单个晶体管构成的一级放大电路

 

该电路各参数为:

CL=1pF, Idc=10uA, Vdd=1.2v, Vdc=360mv晶体管长宽比为:500nm/3um

BW=30.1MHz, G=33.0 dB

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图2     一级放大电路的静态工作点

 

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图3     一级放大电路的增益和带宽

 

根据图1 增益带宽积的公式,

GBW=gm/2πCL = 27.2 MHz, 实测是 30.1MHz, 接近;因为该公式忽略了很多因素,尤其是各种寄生电容,因此存在一定的误差,技术结果只是提高修改的方向。

将负载电容提高一倍如下:

CL=2p, Idc=10u, Vdd=1.2v, Vdc=360mv; 晶体管长宽比为:500nm/3um

BW=15.4为测得带宽,基本上是之前的一半,与图1的公式相符,因此若需要提高带宽,可

以设法减小负载电容;

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图4     调整负载电容后的增益和带宽

 

改变晶体管长宽比为:500nm/5um

模拟结果如下图,增益和带宽略有变化,这是因为改变晶体管长宽比, 该晶体管的阈值电压有所改变,导致在饱和区的位置变化,gm 变化,结果增益和带宽有了变化。

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图5     调整晶体管长宽比后的增益和带宽

 

2.  二级放大电路

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图6      二级放大电路

 

该电路各参数为:

CL=1pF, CC = 500fF,Idc=200uA, Vdd=1.2v, Vdc=360mv,两晶体管长宽比皆为:500nm/3um

G=63.3 dB, BW=49.0 MHz, 相位P= – 123 Deg.

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图7      二级放大电路的静态工作点

 

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图8      二级放大电路的增益和带宽

 

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图9      第一级和整个二级放大电路的增益和带宽

 

根据:CC = 500f CL= 1p, gm2=508.7u , gm1=187.9u

求得:GBW=gm1/2πCC = 59.8 MHz, 实际仿真结果为 49MHz,相差比较大; fnd1=gm2/ 2πCL =81MHz, 理论上fnd1= 3GBW=3x 59.8 MHz= 179.4 MHz,相差更大。

保持别的参数不变,设置恒流源直流电流为: Idc=150u,结果如下:

G=64.7, BW=47.6 P= – 143 Deg.

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图10      调整电流后的增益和带宽

 

保持别的参数不变,设置恒流源直流电流为: Idc=100u,结果如下:

G=87.7 dB, BW=47.6 MHz, P= – 143 Deg.

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图11      二级放大电路的静态工作点

 

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图12      调整电流后第一级和整个二级的增益和带宽

 

保持别的参数不变,设置补偿电容为原来的一半:CC = 250f , 结果如下:

G=87.7 dB, BW=71.2 MHz, P= 70.6 Deg

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图13      调整补偿电容后第一级和整个二级的增益和带宽

 

从上图可以看出,补偿电容为原来的一半,增益保持不变, 带宽由原来的47.6 MHz 提高到 71.2 MHz;但没有成倍提高。

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图14      调整补偿电容后第一级,第二级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,设置负载电容为原来的一半: CL= 0.5p,

G=87.7 dB, BW=92.4 MHz, P= – 161.6 Deg;

从下图可以看出,增益保持不变,带宽显著增加;

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图15      调整负载电容后第一级和整个二级的增益和带宽

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图16     调整负载电容后第一级,第二级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,设置负载电容为原来的一倍: CL= 2p,

G=87.7 dB, BW=50.4 MHz, P= – 171.6 Deg;

从下图可以看出,增益保持不变,带宽显著降低;

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图17      调整负载电容后第一级和整个二级的增益和带宽

 

保持别的参数不变,在第一级输出处增加一个接地电容C:

CC = 250f CL= 1p, C=800f;

模拟结果如下:G=87.7 dB, BW=33.7 MHz, P= – 173.6 Deg

增益保持不变,带宽继续降低;

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图18      增加接地电容后二级放大电路的静态工作点

 

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图19      增加接地电容后的增益和带宽

 

保持别的参数不变,减小接地电容C 的电容值:

CC = 250f, CL= 1p, C=100f;

G=87.7 dB, BW=58.9 MHz, P= – 170.6 Deg

从下图可以看出,增益保持不变,带宽显著增加。

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图20      调整接地电容后第一级,第二级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变接地电容C 的电容值:

CC = 250f, CL= 1p, C=400f;

G=87.7 dB, BW=42.5 MHz, P= – 172.6 Deg;

因此可以得出结论:接地电容C 增大,带宽降低;接地电容C 减少,带宽增加。

 

3. 三级放大电路

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图21      三级放大电路

该电路各参数为:

CL=1pF, CC = 500fF,CD= 250fF,C = 400fF,

Idc1=10uA, Idc2=100uA, Idc3=500uA, Vdd=1.2v, Vdc=360mv,Vin=1uv

三个晶体管长宽比为:500nm/6um, 500nm/1um, 500nm/1um,

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图22     三级放大电路的静态工作点

 

从下图可以看出:

G=100.4 dB, BW=39.2 MHz, P= – 170.6 Deg

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图23     第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

GBW=gm1/2πCC = 59.5 Mhz 与模拟得到的带宽39.2 MHz 相差较大,

保持别的参数不变,改变补偿电容CC 的电容值:CC =250p,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW=53.6 MHz, P= – 69.7 Deg;

带宽显著增加,但没有两倍。

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图24     调整补偿电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变电容CCD 的电容值:CD =500fF,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW=31.8 MHz, P= – 70.7 Deg;

增益不变,带宽减小,即电容CCD 对带宽也有影响。

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图25     调整补偿电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变负载电容CL 的电容值:CL =2pF,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW= 35.8MHz, P= – 77.8 Deg;

增益不变,带宽从39.2 MHz降到35.8MHz。

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图26     调整负载电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变负载电容CL 的电容值:CL =500 fF,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW= 40.9MHz, P= – 72.4 Deg;

增益不变,带宽从39.2 MHz增加到40.9MHz;即负载电容对带宽也有影响。

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图27     调整负载电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变接地电容C 的电容值:C =200 fF,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW= 40.8MHz, P= – 77.1 Deg;

增益不变,带宽从39.2 MHz增加到40.8MHz;

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图28     调整接地电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,改变接地电容C 的电容值:C =800 fF,

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW= 36.1MHz, P= – 71.2 Deg;

增益不变,带宽从39.2 MHz减少到36.1MHz;即接地电容对带宽也有影响。

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图29     调整接地电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

保持别的参数不变,去掉接地电容C;

从下图可以得到:G=100.4 dB, BW= 43.5MHz, P= – 79.9 Deg;

增益不变,带宽从39.2 MHz增加到43.5MHz;

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图29     去掉接地电容后第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

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图30     去掉接地电容后三级放大电路的静态工作点

 

从上面三种简单放大电路的的模拟结果可以得出,只有一个晶体管的一级放大电路增益可以达到 40 dB 左右,有两个晶体管的二级放大电路增益可以达到 80 dB 左右,有三个晶体管的三级放大电路增益可以达到 100 dB 以上,但第二级,第三级恒流源的电流增加数十倍;

 

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