?MOSFET共源放大器的頻率響應
在本文中,我們通過研究MOSFET共源放大器的s域傳遞函數來了解其頻率響應。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202403/455979.htm之前,我們了解了MOSFET共源放大器的大信號和小信號行為。這些分析雖然有用,但僅適用于低頻操作。為了了解共用源(CS)放大器在較高頻率下的功能,我們需要更詳細地研究其頻率響應。
在本文中,我們將在考慮MOSFET寄生電容的情況下導出CS放大器的全傳遞函數。然而,在我們這么做之前,讓我們花點時間回顧頻域中更為普遍的傳遞函數(TF)分析。
s域傳輸函數
TF是表示如何由線性系統操縱輸入信號(x)以產生輸出信號(y)的方程式。其形式為:
?方程式1。
其中:
s為復頻,定義為(s=σ+jω)。
Z1….Zn表示傳遞函數的所有零。
P1….Pm表示傳遞函數的所有極點。
零是導致傳遞函數分子等于零的s值。極點是導致傳遞函數的分母等于零的s值。
伯德圖
伯德圖是我們分析傳遞函數最強大的工具之一。伯德圖包括一個TF在一系列頻率范圍內的幅值和相位測量值。它告訴我們我們的系統有什么樣的響應(低通、高通、帶阻等),并指出任何極點和零在TF中的位置。
極點和零點對系統的幅值和相位響應有不同的影響??偨Y如下:
量級響應:
在極點頻率處,TF的斜率變化為-20 dB/decade。
在零頻率處,TF的斜率變化為+20 dB/decade。
相位響應:
一個-90度的相移開始于極點之前的decade,結束于極點之后的decade。
+90度相移在復雜空間的左平面零之前的decade開始,在decade之后結束。
一個-90度的相移從復雜空間的右平面零之前的decade開始到decade之后結束。
圖1顯示了帶通濾波器的伯德圖,其中單個極點在1 rad/s,單個零點在1000 rad/s。
帶通濾波器的伯德圖,極點為1 rad/s,零點為1000 rad/s。
?圖1。
要獲得更多關于s域傳輸函數的信息,我建議使用Robert Keim的技術文章“了解低通濾波器傳輸函數”。
共源放大器的基本頻率響應
在我們之前的一篇文章中,我們討論了MOSFET中不同類型的寄生電容?,F在我們將把這些集成到一個帶有簡單電阻負載的共用源放大器中(圖2)。為了獲得有意義的結果,我們假設輸入電壓源具有非零輸入電阻(RS),這是任何實際驅動器的特征。
具有寄生電容的CS放大器和放大器的小信號模型。
?圖2。帶寄生電容的CS放大器(左)。放大器的小信號模型(右)。
圖2的右側部分展示了CS放大器的小信號模型。觀察它,我們已經可以看到,這個分析將比之前復雜得多——柵極-漏極電容沒有連接到交流接地,這使得事情復雜化。為了簡化我們的分析,我們將利用密勒效應。
密勒效應
密勒效應指出,如果一個阻抗(Z)與一個增益為a的反向放大器并聯(圖3,左側),它可以在放大器的輸入和輸出端被分成兩個單獨的阻抗(圖3,右側)。輸入和輸出阻抗的值為:
Zin = Z1 + A 以及 Zout = Z1 + 1A
和均應接地。
具有并聯阻抗的放大器,以及放大器的密勒等效電路模型。
?圖3。帶并聯阻抗的放大器()。放大器的密勒等效電路模型(右)。
如果Z是電容器,ZC=1/sC,并且輸入電容(Cin)因此有效地乘以(1+a)。這種新的電容是密勒電容。
滾動繼續
通過使用Miller電容作為Cin,我們可以將圖2所示的CS放大器控制為我們將在圖4中看到的那個。我們現在有兩個清晰的RC電路,一個在放大器輸入端,另一個在輸出端。因此,我們有兩個極點:
?方程式2。
以及:
?方程式3。
?方程式4。
我們的新CS放大器示意圖如圖4的左半部分所示。圖的右半部分顯示了放大器的小信號模型。
具有密勒效應的CS放大器,以及該放大器的小信號等效電路模型。
?圖4。帶效應的CS放大器(左)。其小信號等效電路模型(右)。
真實頻率響應
雖然密勒效應精確地預測了二極性TF,但有一個隱藏的零位沒有被考慮在內。我們在圖5的頻率響應圖中可以看到這一點——在100和1000 GHz之間,在兩個-20 dB/decade的斜率之間有一個相對平坦的區域。這個零是由于CGD在高頻下在放大器的輸入和輸出之間產生短路。
CS放大器的頻率響應如圖2所示。
?圖5。圖2中CS放大器的頻率響應(RL=10 kΩ,RS=100Ω)。
密勒效應可以為我們提供CS放大器傳遞函數的良好估計,但如圖5所示,這一估計并不完全符合放大器的實際行為。CGD會導致更復雜的反應,我們需要創建一個反映這一點的方程式。雖然在實際設計中我們不會手動計算傳遞函數,但注意極點和零點所依賴的電路參數對于確保所需的操作至關重要。
為了計算真正的傳遞函數,我們將參考圖2中所示的小信號模型。利用基爾霍夫電壓和電流定律,我們得出以下傳遞函數:
?方程式5。
?方程式6。
方程式5分子中的零與我們在圖5中看到的頻率響應相匹配。
有一件有趣的事情是CGD產生的零,而CS放大器通常是一個反相放大器,這個短路導致非反相行為。實際上,它會導致正反饋,可能導致輸出振蕩的不穩定放大器。
更廣泛的影響
我們現在已經確定了MOSFET共源放大器具有由單個零和兩個極點組成的頻率響應。雖然我們已經討論了具有電阻負載的CS放大器,但是對于具有二極管連接或電流源負載的放大器,其行為也是相同的。然而,在這些情況下,負載晶體管的寄生電容增加了輸出端的總電容,從而降低了輸出極頻率。
此外,因為共源放大器通常具有相對較高的輸出阻抗,所以輸出極點傾向于主導頻率響應。因此,我們通??梢栽趦H考慮輸出極點的情況下估計放大器的帶寬。
所有圖片均由尼古拉斯·圣約翰提供
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