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反相放大器

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Razavi教材第八章回報部分開篇用了一個最經典的反相放大器結構。問題在于通過小信号計算出來的增益(8.3)和利用其書中描述的環路增益 (8.8)所得到的結論難以自洽。按照圖8.5,8.6分析的模型,容易以為這個電路的前向增益

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,回報系數是阻抗分壓,即

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。那麼按照經典的回報模型,閉環增益等于

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,顯然和實際8.3是不符合的。

問題在哪裡?問題在于回報模型裡面的A和F不等于電路裡面看到的前向放大器增益和回報電阻分壓比。這個單管放大電路是一個反相放大器,而反相放大器的回報形式是将電壓通過回報電阻轉換成電流,與輸入電流做比較實作回報。對于NMOS的輸入端,回報電流完全等于輸入電流。而放大器兩端輸入電壓相近是回報的“額外”效果。

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回到最開始的方程。這個電路裡面的輸出由兩條路徑建立:第一是放大器。第二是回報路徑。顯然可以看到,為了使電路的輸出主要由回報決定,需要放大器有盡量高的開環增益Av。同時注意到回報電流是流過電阻的。

這個電流是經常被忽略的一個點。多數時候不會注意到一個問題,就是這個電流最後流到了那裡?答案是運放内部。這就說明反相放大器需要運放的輸出級具有提供大電流的能力,才能保證放大器的電流不會被回報路徑“抽幹”,導緻開環增益下降。同時也說明回報路徑上的電阻Rf和Ri不能取得太小。如果電壓信号本身的内阻很小,這個時候就需要小心了,必須考慮外加的Ri來保證電流不過大。一般而言,這兩個電阻都在幾十K歐的量級,對應的電流大概是幾十uA。是以放大器的輸出級需要有上百uA的電流驅動能力。

是以,一般電路裡面用的普通二級運放,是不适合做反相放大使用的。特别是高增益的二級運放,很多時候兩級運放100u不到的電流就可以做到60dB的增益,但這個增益特别是輸出級的增益是靠很大的輸出阻抗得到的,一旦接反相電路,回報電阻會迅速拉低開環增益,導緻實際閉環增益和回報計算相比有出入。如果第一級增益有30~40dB,現象不會很明顯。但第一級增益如果不夠,現象就會很明顯。

以下是渣渣我同組一位老鐵的故事:這位老鐵做中頻濾波後的PGA,用的是經典的二級Miller補償運放,通過切換回報電阻實作可變增益。高增益模式下,回報電阻有幾十K,電路就可以正常work。但在低增益模式下,這位老鐵的回報電阻隻有3k,而原始設計為了低功耗的總體需要,隻提供了三四十uA的輸出級電流。如此一來,老鐵的PGA在仿低增益時發現電流完全被“抽幹”了。這位老鐵通過更改電阻值實作增益,但又應付不了PVT變化。原因很簡單,因為此時回報的作用削弱,電路的增益不完全靠電阻決定,和運放也有關。和這位老鐵經曆類似的還有另一位老鐵,某次設計比賽時做低通有源濾波器(結構同樣包含回報鍊路),比賽名額中功耗當然是評比環節,于是上來就把運放功耗壓得很低,結果同樣坑在了輸出級被抽幹上面。

由反相放大聯系到Miller補償。Miller補償是一個典型的反相放大。隻是這裡的電阻換成了電容。換成電容以後有什麼好處呢?很明顯低頻時這個電容不會抽後級的電流了。但頻率一旦增加,電容阻抗下降,這個抽電流的效果開始增加,展現的效果就是增益下降。和原電路相比,Miller電容的抽取效果相當于電路第二級的輸入阻抗下降了1+AF倍,考慮第一級輸出阻抗很大,F=1.是以MIiller電容放大了A倍和反相放大器回報輸入阻抗下降為Rf/(1+AF)是一緻的。但注意到電容的電流和電阻不一樣,電容的電流有滞後。這個滞後導緻兩個電流是不同相的,是以就會在頻響上産生零點,進而有了消零電阻、跟随器和共栅源節點注入等等技巧。