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跨导放大器的串联-并联反馈

跨导放大器的串联-并联反馈

现在让我们更详细地讨论串联-串联的反馈,它是一种提供精确的电压到电流转换的放大器。与电压放大器的主要区别是它们输出的是电流而不是电压,输入电阻和输出电阻都很高。它们被称为跨导放大器。这种高输出阻抗主要用于驱动可变阻抗,例如进行阻抗测量。它还提供了电流源,以通过电流镜来偏置任何模拟电路。

一个单晶体管放大器也是一个跨导器。它的输入电阻较高,电流输出值较高,相当精确,然而它的跨导率略低。一个没有输出级的运算放大器也作为跨导器,其跨导率非常高,但不是很精确。反馈被用来获得一个相当高和精确的跨导或电压到电流的转换器。我们再次计算环路增益,闭环和开环增益,最后计算输入和输出电阻。

下图显示了一个准确的跨导器,输出电流由由运算放大器驱动的MOST提供,它被所使用的三个电阻准确地关联到输入电压vIN上。事实上,闭环增益AG只是IOUT/vIN,只包含电阻比和一个电阻RE12的绝对值!环路增益LG本身和开环增益AGOL都包含运算放大器的增益A0,然而这个增益不会发生在闭环增益AG中!

图 1   串联-串联反馈,增益

 

 

该转换器的输入电阻明显为无穷大,因为没有栅极电流。环路增益LG增加了输出电阻,对于具有源电阻RE的单晶体管放大器,很容易获得开环输出电阻ROUTOL。尽管它已经相当高了,反馈行为会使其增加更高。

图 2   串联-串联反馈,输入和输出电阻

 

添加负载电阻 RL,将该跨导器再次转换为电压放大器,具有非常准确的增益 Av。这个增益只取决于电阻比,并且可以准确地设置。输出晶体管对漏极的输出电阻非常高, 结果在整个放大器的输出端看到的输出电阻主要是负载电阻RL

图 3   有负载 RL的串联-串联反馈

 

增益电阻 R1 和 R2 可以在前面介绍的跨导器中省略,从而形成下图所示的更简单的跨导器 。这可能是高精度的将电压转换为电流最简单的方法, 电压到电流的转换仅取决于电阻RE。输入电阻再次很高,输出电阻也很高。这个电路现在是一个理想的电流发生器。

图 4   理想电流源

 

之前分析的精确跨导器有两个输出,一个和以前一样在漏极,但另一个在输出晶体管的源极处,那它们有什么区别呢?第一个区别是,这两个输出具有相反的极性,此外环路增益是相同的,但不是实际的闭环电压增益。第一个在漏极处的Av1更大一些;输出电阻也非常不同,第二个在源极处的 ROUT2,要小得多,因为它只有1/gm的数量级,而且它涉及到环路增益LG。在第二个输出端连接容性负载只会在高频下提供一个极点

图 5   串联-串联反馈,两输出

 

在下图中显示了最后一个电路的晶体管实现,使用两个晶体管M1和M2来实现运算放大器,pMOST用作第二级,以提供向下电平转换。这些表达式与以前完全一样,闭环增益Av1和Av2与以前完全相同。现在运放的增益A0要被两个晶体管的增益取代,每个晶体管提供增益gmro,如下图所示,环路增益LG取决于这两个增益。输入电阻和输出电阻与以前相同

图 6   三重串联-串联反馈

 

用负载电阻RL替换输入晶体管的负载电流源,稍微降低了环路增益LG。输入晶体管的增益不再被充分利用,然而闭环增益Av1和Av2与以前完全相同,输入阻抗和输出阻抗也是相同的。

图 7   三重串联-串联反馈

 

如果以Q3的漏极作为输出,用电阻替换所有电流源为这个众所周知的反馈放大器提供了一个三重增益级。这是一个与离散器件很容易实现的放大器,特别是用双极晶体管。闭环增益Av与以前一样,环路增益也与以前相似。必须考虑每个节点的电阻分割。输入电阻RIN不是无穷大,因为输入使用双极晶体管。然而由于反馈行为,输出电阻 ROUT主要为负载电阻RL3

图 8   三重串联-串联

 

在单晶体管放大器上也可以进行串联-串联反馈, 然而要区分闭环和开环增益和环路增益并不那么容易,这也被称为本地反馈。gmRE超过单位增益越多,跨导率和电压增益越准确,然而,这需要发射极电阻 RE 上有一个大的直流电压降!然而环路增益LG和输入电阻也不是全部部那么大

观察晶体管集电极的输出电阻roL也不是那么大,因此输出电阻ROUT是负载电阻RL和晶体管输出电阻ROL的并联组合。结果输入和输出加载,即源电阻RS与输入电阻RIN相互作用,并且负载电阻RL与晶体管输出电阻roL相互作用。这个电路远不是一个理想的反馈电路。最好用柯肖夫两定律 ( laws of Kirchoff ) 进行直观的分析。

图 9   非理想单晶体管反馈

 

先前的串联反馈单晶体管放大器可以很容易地在差分结构中实现,同样发射极电阻R越大,反馈工作得越好。为了避免电阻上的大的直流电压下降,最好选择右侧的电路。该电路提供了相同的增益,但没有直流电流流经发射极电阻,它可在较低的电源电压下使用,然而其噪声性能稍差一些。

图 10   通过反馈降低失真

 

反馈电阻可以通过用正向偏置二极管连接的晶体管M2替换它们来实现可调,如下图所示。每个晶体管 M2 承载直流电流 Itune/2, 它充当晶体管 M1 的反馈电阻,值为 1/gm2,现在可以通过设置电流 Itune 来设置跨导, 然而该电流必须始终大于 2Ibias

图 11   可调反馈

 

通过在反馈环路中插入更多的晶体管,可以获得更多的环路增益。在下图左边,反馈环路中只多包含一个晶体管, 此外这种配置允许采用一种优雅的方式来获取输出电流,事实上附加的晶体管与输出晶体管形成电流镜。如果在反馈环路中插入全运算放大器,则可获得更多环路增益 ,如下图右边所示。这显然是将差分输入电压转换为差分输出电流的最准确的方法。

然而在高频下,运放并不能提供那么多的增益,因此在高频情况下左电路现在是首选,尽管它不太准确。

图 12   通过更多反馈降低失真

 

这种单晶体管跨导器很容易修改成低通滤波器。在差分输出之间连接了一个电容CL。 通过这种方式,获得频率为 fp 的一阶极点,这会在极点频率处产生 -20 dB/十倍频程的滚降

图 13   低通滤波器

 

以类似的方式,通过将电容CE与电阻RE并联,可以创建一阶零。特征频率现在为fz,在这个频率下,增益开始以20分贝/十倍频程的斜率上升。

图 14   高频助推器

 

具有局部反馈的单晶体管放大器也可以提供两个输出,如下图所示。收集极的输出提供了下图中所讨论的非理想串联-串联反馈,然而发射极上的输出是射随器的输出,其增益Av2为单位增益,其输出电阻ROUT2较小。发射极和源随器确实使用了反馈。它们提供准确的电压增益,环路增益越大,电压增益越接近一; 它们还提供降低的输出电阻 。显然,所有这些都适用于具有局部反馈的MOST单晶体管放大器。源极上的增益再次是单位增益,至少如果体效应没有出现时是这样;输出电阻与具有无限 β 的双极晶体管相同,它是1/gm。

图 15   两输出的单晶体管反馈

本章介绍并比较了四种反馈类型。已经对输入端串联反馈的两种类型的进行了详细的讨论。对于许多电路实现,已经推导出环路增益、输入和输出阻抗的表达式。在后续介绍中,重点是在输入处具有并联反馈的电路。

Posted in CMOS模拟集成电路

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