ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

有源电感与差分调谐负载

从电路方程到教材结论 · 每步必要近似 · 原图与讲解可追溯

本组继承 共同模型与假设。含教材符号、近似或模型差异,请连同相应说明阅读。

有源电感、频率范围与差分两倍因子

对应:0245–0247。

0245:从输出测试电流解阻抗

测量源极输出阻抗时,栅极经 RSR_S 接 AC 地。只保留 CGS=CC_{GS}=C、gmg_m,暂时移除外置 CLC_L:

(GS+sC)vg−sCvo=0,it=(gm+sC)(vo−vg).(G_S+sC)v_g-sCv_o=0,\qquad i_t=(g_m+sC)(v_o-v_g).

先解 vg=sRSCvo/(1+sRSC)v_g=sR_SCv_o/(1+sR_SC),代入:

Zo=1+sRSCgm+sC.Z_o=\frac{1+sR_SC}{g_m+sC}.

低频与高频极限为

Zo(0)=1/gm,Zo(∞)=RS.Z_o(0)=1/g_m,\qquad Z_o(\infty)=R_S.

以 ωT=gm/C\omega_T=g_m/C,精确重写:

Zo=1gm+sLeff1+s/ωT,Leff=RS−1/gmωT.Z_o=\frac1{g_m}+ \frac{sL_{\rm eff}}{1+s/\omega_T},\qquad L_{\rm eff}=\frac{R_S-1/g_m}{\omega_T}.

在 ω≪ωT\omega\ll\omega_T 且 gmRS≫1g_mR_S\gg1 时,

Zo≃1gm+sL,L≃RS/ωT=RS/(2πfT).Z_o\simeq\frac1{g_m}+sL,\qquad L\simeq R_S/\omega_T=R_S/(2\pi f_T).

感性项显著的频带约为

ωTgmRS≪ω≪ωT.\frac{\omega_T}{g_mR_S}\ll\omega\ll\omega_T.

因此教材「up to fTf_T」应理解为尺度上限,并非在 fTf_T 处仍能无误差使用纯电感近似。RSR_S 是高频平台,不是低频串联电阻;低频串联电阻是 1/gm1/g_m。

若原图保留外置 CLC_L,总阻抗还要取

Zloaded=[Zo−1+sCL]−1.Z_{\rm loaded}=[Z_o^{-1}+sC_L]^{-1}.

不能一面保留 CLC_L,一面宣称上面的无负载 ZoZ_o 是总阻抗。

0246:用 MOS 电阻代替 RSR_S

二极管连接 PMOS 若为 AC 地参考且 gmp≫gopg_{mp}\gg g_{op},其电阻约为 1/gmp1/g_{mp}:

L≃1gmpωTn.L\simeq\frac1{g_{mp}\omega_{Tn}}.

采右侧低压配置时,源极跟随器的近单位跟随使 PMOS 的栅极/漏极小信号近似短接,才可沿用相同电阻。这要求中间跟随增益接近 1、内部极点高于使用频带;不能在任意频率把复合反馈支路当成理想电阻。

依图上的 DC 节点电压:

  • 电阻反馈的基本配置:VDSn=VGSnV_{DSn}=V_{GSn}。
  • 中间 PMOS 二极管配置:VDSn=VGSn+VSGpV_{DSn}=V_{GSn}+V_{SGp}。
  • 右侧低压配置:VDSn=VSGpV_{DSn}=V_{SGp}。

以上 PMOS 电压使用正值 VSGpV_{SGp},避免原图 VGSpV_{GSp} 的符号混用。

0247:差分半电路

左右匹配,tail 电流源对差模形成虚地;每边的上管阻抗近似

Zh≃rh+sLh,rh=1/gm2,Lh=Rtune/ωT2.Z_h\simeq r_h+sL_h,\quad r_h=1/g_{m2},\quad L_h=R_{\rm tune}/\omega_{T2}.

两个 output 之间量到的阻抗是 2Zh2Z_h。所以若图右画的是跨两端的实体等效电感,其值为

Ldiff=2Lh=2RtuneωT2.L_{\rm diff}=2L_h=\frac{2R_{\rm tune}}{\omega_{T2}}.

教材标 L=Rtune/ωT2L=R_{\rm tune}/\omega_{T2} 可当半电路电感,但不能同时把它当完整两端差分电感,否则差一倍。

跨输出的电容 CC 在半电路等效为 2C2C,因而

avd(s)≃gm1(rh+sLh)1+2sCrh+2s2CLh.a_{vd}(s)\simeq\frac{g_{m1}(r_h+sL_h)} {1+2sCr_h+2s^2CL_h}.

低频 ∣avd(0)∣=gm1/gm2|a_{vd}(0)|=g_{m1}/g_{m2},重现教材;无阻尼共振尺度则为 ω0=1/2LhC\omega_0=1/\sqrt{2L_hC}。峰化由二阶分母及一个零点共同决定。

近似与验算

近似 条件 失效情况
ZoZ_o 忽略其他寄生 go,CGD,CDSg_o,C_{GD},C_{DS}、负载效应小 真实高频
Leff→RS/ωTL_{\rm eff}\to R_S/\omega_T gmRS≫1g_mR_S\gg1 gmRS≤1g_mR_S\le1 不呈此感性
1/(1+s/ωT)→11/(1+s/\omega_T)\to1 ω≪ωT\omega\ll\omega_T 接近截止
PMOS →1/gmp\to1/g_{mp} gmprop≫1g_{mp}r_{op}\gg1,频率远低于其极点 电阻也变成频率函数
差分半电路 左右匹配、纯差模 共模、mismatch

不用额外 SFG:从上一组二节点模型直接取极限即可。LL 的系数及差分阻抗因子在符号与数值检查中分开验证。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
0245 72 73 72, 73
0246 73 74 73
0247 73 74 73

Spectre 仿真结果

本推导组的代表模型已完成 Spectre 验证;覆盖范围以所列网表为准,未逐一搭建所有幻灯片电路。

线性 AC 1 · MOS 电路 0 · 极零 0 · 瞬态 0:所列检查全部通过。

案例:active_inductor

查看本组波形、模型条件与 CSV → · 仿真 Markdown 解释

来源幻灯片与讲解定位(3 张)
原书幻灯片 0245
0245 · PDF 72/书本 73 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0246
0246 · PDF 73/书本 74 · 原图及完整讲解
原书幻灯片 0247
0247 · PDF 73/书本 74 · 原图及完整讲解