THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... ·...

29
THIT KVI MCH TƯƠNG TƯƠ CHƯƠNG 6: Frequency reponse of Amplifiers TP.HChí Minh 04/2012 Hoàng Trang-bmôn KThut ĐinT[email protected] 1 1

Transcript of THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... ·...

Page 1: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰƯƠCHƯƠNG 6: Frequency reponse of Amplifiers

TP.Hồ Chí Minh 04/2012

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử[email protected]

11

Page 2: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

Frequency Response of Amplifiers

1. General Considerations1. General Considerations2. Common-Source Stage3 Source Followers3. Source Followers4. Common-Gate Stage5. Cascode Stage6. Differential Pair6. Differential Pair

2

Page 3: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

1. General Considerations

Miller Effect Miller Effect Association of Poles with Nodes

3

Page 4: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

Miller Effect

ill ’ h Miller’s Theorem

4

Page 5: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

Miller Effect

l Example

Z = 1/CFs/ F

Z1 = [1/CFs]/(1+A)

Z2= [1/CFs]/(1+1/A)Z2 [1/CFs]/(1+1/A)

5

Page 6: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

Association of Poles with Nodes

We can associate each pole with one node pof the circuit.

6

Page 7: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

Association of Poles with Nodes

The above statement is not valid in general.g

The location of the poles is difficult to calculate because R3 and C3 create interaction between X and Y.

7

Page 8: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage

Schematic

2. Common Source Stage

8

Page 9: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)

Surmise the transfer function by associating

g ( )

poles with nodes and Miller’s theorem.

9

Page 10: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)2. Common Source Stage (cont.)

Obtain the exact transfer function.

Sum the currents at each node:

10

Page 11: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)2. Common Source Stage (cont.)

Ob i h f f i Obtain the exact transfer function.

Writing the denominator

11

Page 12: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)g ( )

If | 1| | 2| If we assume |ωp1|<<|ωp2|

12

Page 13: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)g ( )

13

Page 14: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

2. Common-Source Stage (cont.)

S i h f f i b i i

2. Common Source Stage (cont.)

Surmise the transfer function by associating poles with nodes and Miller’s theorem.

Obtain the exact transfer function.

14

Page 15: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

3. Source Followers3. Source Followers

S F ll i ll l d Source Followers are occasionally employed as level shifters or buffers.

15

Page 16: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

3. Source Followers (cont.)( )

T f f i Transfer function

Input impedance Zin Input impedance Zin

16

Page 17: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

3. Source Followers (cont.)3. Source Followers (cont.)

At relatively low frequencies, gmb >>|CLs|

At high frequencies, gmb <<|CLs|

17

Page 18: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

3. Source Followers (cont.)3. Source Followers (cont.)

Output impedance

18

Page 19: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

4. Common-Gate Stageg

S h i Schematic

19

Page 20: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

4. Common-Gate Stage (cont.)4. Common Gate Stage (cont.)

Transfer function Transfer function

Input impedance

20* See more in Chapter 3

Page 21: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

5. Cascode Stageg

C d S b fi i l i Cascode Stage proves beneficial in: Increasing the voltage gain of amplifiers.gain of amplifiers.

Increasing the output impedance of current sources.

Providing shielding as well.

21

Page 22: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

5. Cascode Stage (cont.)g ( )

U i Mill Eff t d A i ti f Using Miller Effect and Association of Poles with Nodes at node A, X and Y:

Node A:

Node X:

Node Y:

22

Page 23: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair6. Differential Pair

Differential Pair with differential i lsignals.

Differential Pair with active current imirror.

23

Page 24: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair (cont.)6. Differential Pair (cont.)

Differential Pair with differential signals:

The respond is identical to that of a common-

24

psource stage.

Page 25: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair (cont.)( )

Differential Pair with active current mirror:

This circuit has 2 poles:

Mirror pole at node E.

Output pole at output.

25

Page 26: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair (cont.)6. Differential Pair (cont.)

Estimate the frequency response:

CE: the total capacitance at node E, arising

26

from CGS3, CGS4, CDB3, CDB1, and the Miller Effect of CGD1, CGD4.

Page 27: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair (cont.)

Replacing Vin M1 M2 by a Thevenin

6. Differential Pair (cont.)

Replacing Vin, M1, M2 by a Thevenin equivalent, where Vx = gmNrONVin, Rx = 2rON

27

Page 28: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

6. Differential Pair (cont.)6. Differential Pair (cont.) Assume 1/gmP << rOP. The small-signal voltage

at E is equal to:q

Th ll i l d i t f M4 i V d The small-signal drain current of M4 is gm4VE and – gm4VE –Ix = Vout(CLs + 1/rOP), we have:

28

Page 29: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 6: Frequency reponseof Amplifiers TP.HồChí

END OF CHAPTER 6

FREQUENCY REPONSE OF AMPLIFIERSAMPLIFIERS

29