ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

共源共栅级的米勒电容

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。

共源共栅级中的米勒效应与信号源阻抗

对应:0256。原图的 CMC_M 跨接输入栅极与中间节点;不是接地电容。

完整三节点矩阵

节点为栅极 vgv_g、中间 vxv_x、输出 vov_o。令 GS=1/RSG_S=1/R_S、Q2=gm2+go2Q_2=g_{m2}+g_{o2}、Dx=go1+Q2D_x=g_{o1}+Q_2。理想输出电流源负载,只保留 CM,CLC_M,C_L:

[GS+sCM−sCM0gm1−sCMDx+sCM−go20−Q2go2+sCL][vgvxvo]=[GSvi00].\begin{bmatrix} G_S+sC_M&-sC_M&0\\ g_{m1}-sC_M&D_x+sC_M&-g_{o2}\\ 0&-Q_2&g_{o2}+sC_L \end{bmatrix} \begin{bmatrix}v_g\\v_x\\v_o\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}G_Sv_i\\0\\0\end{bmatrix}.

直接求解:

av=Q2(sCM−gm1)d0+d1s+d2s2,a_v=\frac{Q_2(sC_M-g_{m1})}{d_0+d_1s+d_2s^2}, d0=go1go2,d_0=g_{o1}g_{o2}, d1=CLDx+CMgo2[1+RS(go1+gm1)],d_1=C_LD_x+C_Mg_{o2}[1+R_S(g_{o1}+g_{m1})], d2=CMCL[1+RS(Dx+gm1)].d_2=C_MC_L[1+R_S(D_x+g_{m1})].

虽然有三个节点,只有两个独立电容状态,分母仍为二阶。零点为 +gm1/CM+g_{m1}/C_M;图中没有画出不表示它不存在。

为何共源共栅级仍可能有米勒放大

低频、理想输出电流源负载使

vx/vg=−gm1ro1.v_x/v_g=-g_{m1}r_{o1}.

因此输入所见 CMC_M 仍可能被 1+gm1ro11+g_{m1}r_{o1} 放大。不能把「共源共栅级」当成米勒效应永远为零的保证。

在 gm2≫go1,go2g_{m2}\gg g_{o1},g_{o2}、gm1≫go1g_{m1}\gg g_{o1} 且 gm1RS≫1g_{m1}R_S\gg1 时, d1d_1 主要两项为

CLgm2与RSCMgo2gm1.C_Lg_{m2}\quad\text{与}\quad R_SC_Mg_{o2}g_{m1}.

令两者相等得到

RSt≃ro2CLCMgm2gm1.R_{St}\simeq r_{o2}\frac{C_L}{C_M}\frac{g_{m2}}{g_{m1}}.

所以原图的「No 米勒 if RS<RStR_S<R_{St}」应解读为米勒输入时间常数不主导,不是电容的反馈与前馈作用消失。

两侧主极点

若根分离 d12≫4d0d2d_1^2\gg4d_0d_2:

ωd≃d0/d1,ωnd≃d1/d2.\omega_d\simeq d_0/d_1,\qquad \omega_{nd}\simeq d_1/d_2.

输出主导时:

ωd≃1/(gm2ro1ro2CL).\omega_d\simeq1/(g_{m2}r_{o1}r_{o2}C_L).

米勒主导时:

ωd≃1/(gm1ro1RSCM).\omega_d\simeq1/(g_{m1}r_{o1}R_SC_M).

次极点须由 d1/d2d_1/d_2 求。教材的 1/(RSCM)1/(R_SC_M)、1/(ro2CL)1/(r_{o2}C_L) 是比例尺度线;在 gm1∼gm2g_{m1}\sim g_{m2} 时可能有接近 2 的系数差,不能把图的折线位置视为精确根。

近似与方法

  • d1d_1 省项的条件分别为 gm2≫go1+go2g_{m2}\gg g_{o1}+g_{o2}、RSgm1≫1+RSgo1R_Sg_{m1}\gg1+R_Sg_{o1}。
  • 转折附近两项都要保留;若根不分离,直接求二次根。
  • 若关注频率接近 gm1/CMg_{m1}/C_M,必须保留 右半平面 零点。
  • 不另画 SFG:反馈/前馈与 03 组同源,此处用实际三节点矩阵保留共源共栅级的输出耦合即可。

符号程序检查三阶矩阵行列式化成上述二阶多项式,并验证 DC 与 CM→0C_M\to0 极限。

来源对照

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0256 78 79 78

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:cascode_miller

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(1 张)
原书幻灯片 0256
0256 · PDF 78/书本 79 · 原图及完整讲解