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。

图1     单个晶体管构成的一级放大电路

 

该电路各参数为：

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

BW=30.1MHz, G=33.0 dB

图2     一级放大电路的静态工作点

 

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=g_m/2πC_L = 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；

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，g_m 变化，结果增益和带宽有了变化。

图5     调整晶体管长宽比后的增益和带宽

 

2.  二级放大电路

图6      二级放大电路

 

该电路各参数为：

C_L=1pF, C_C = 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.

图7      二级放大电路的静态工作点

 

图8      二级放大电路的增益和带宽

 

图9      第一级和整个二级放大电路的增益和带宽

 

根据：C_C = 500f C_L= 1p, g_m2=508.7u , g_m1=187.9u

求得：GBW=g_m1/2πC_C = 59.8 MHz, 实际仿真结果为 49MHz，相差比较大； fnd1=g_m2/ 2πC_L =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.

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.

图11      二级放大电路的静态工作点

 

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：C_C = 250f , 结果如下：

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

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。

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： C_L= 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；

图15      调整负载电容后第一级和整个二级的增益和带宽

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： C_L= 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；

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：

C_C = 250f C_L= 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；

图18      增加接地电容后二级放大电路的静态工作点

 

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：

C_C = 250f， C_L= 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。

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：

C_C = 250f， C_L= 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

图21      三级放大电路

该电路各参数为：

C_L=1pF, C_C = 500fF，C_D= 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,

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

图23     第三级和整个放大电路的增益和带宽

 

GBW=gm1/2πC_C = 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C_C 的电容值：C_C =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。

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C_CD 的电容值：C_D =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C_CD 对带宽也有影响。

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C_L 的电容值：C_L =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。

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C_L 的电容值：C_L =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。

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；

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。

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；

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

 

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；