CMOS模拟集成电路设计培训PPT稳定性和频率补偿.ppt

cmos模拟集成电路设计 稳定性和频率补偿 2019 12 20 提纲 2 提纲 1 概述2 多极点系统3 相位裕度4 频率补偿5 两级运放的补偿 2019 12 20 概述 3 1 概述 反馈系统存在潜在不稳定性振荡条件 巴克豪森判据 1 在 1下 围绕环路的相移能大到使反馈变为正反馈2 环路增益足以使信号建立 2019 12 20 概述 4 增益交点相位交点 在一般反馈电路的处理中 小于或等于1 且与频率无关 当 1 幅值曲线会下移 增益交叉点会向原点方向移动 系统更易稳定 因此 常分析 h h 1 的相位图和幅值图 2019 12 20 概述 5 波特 bode 图 1 在每个零点频率处 幅值曲线的斜率按20db dec变化 在每个极点频率处 其斜率按 20db dec变化 2 对一个在左半平面的极点 零点 频率 m 相位约在0 1 m处开始下降 上升 在 m处经历 45 45 的变化 在大约10 m处达到 90 90 的变化 右半平面的情况 反之 右半平面的零点对反馈系统的稳定性更加有害 因为它提高增益 但延迟相位 2019 12 20 概述 6 极点位置与稳定性的关系 每个极点频率表示为sp j p p 冲击响应包含exp j p p 如图 具有位于右半平面的极点的反馈放大器是不稳定的 2019 12 20 概述 7 单极点系统 单极点系统是稳定的 2019 12 20 多极点系统 8 2 多极点系统 两极点系统 两极点系统是稳定的 但裕度不大 2019 12 20 多极点系统 9 三极点系统 三极点系统可能是不稳定的 附加的极点 和零点 对相位的影响比对幅值的影响更大 2019 12 20 相位裕度 10 3 相位裕度 稳定的边缘情况例如 在gx处 相位 175 得到 相位裕度 pm 定义为pm 180 h 1 其中 1为增益交点频率 2019 12 20 相位裕度 11 相位裕度对反馈系统稳定性的影响 当pm 45 时 当pm 60 时 当pm 90 时 2019 12 20 频率补偿 12 4 频率补偿 增大pm的方法 减少极点数 px往外推 减小带宽 gx往里推 2019 12 20 频率补偿 13 单级运放的频率补偿 以右图的电流镜作负载的差动共源共栅运放为例 估计极点 out a n x y 2019 12 20 频率补偿 14 单级运放的频率补偿 续 bode图 1 2019 12 20 频率补偿 15 单级运放的频率补偿 续 方法 增加负载电容 即调整主极点避免镜像极点第一非主极点 必须离原点尽量远 大于等于gb 2019 12 20 频率补偿 16 单级运放的频率补偿 续 rout av 虽然 p out routcl 1降低 由于不影响gx和px 因此 增大rout并不能对运放进行补偿 2019 12 20 频率补偿 17 单级运放的频率补偿 续 全差动套筒式运放 没有镜像极点包含一个主极点 输出极点 和一个非主极点 x或y pmos的共源共栅中的极点 n或k 可以和输出极点合并稳定 2019 12 20 两级运放的补偿 18 5 两级运放的补偿 极点分析 增加一级放大器 至少增加一个极点x y e f a b 两个主极点 e f a b 均靠近原点不稳定 需要补偿 2019 12 20 两级运放的补偿 19 密勒补偿 增加密勒电容以一个中等电容建立一个低频极点形成 极点分裂 效应 当cl cc ce gmii gm9 millerpole outputpole 可以计算得到 补偿前 cc 0 2019 12 20 两级运放的补偿 20 密勒补偿 续 密勒补偿中 零点的影响不可忽略右平面的零点减缓增益的下降 增益交点外推 延迟相位 相位交点向原点移动 考虑零点的影响 cc的选取 pm 60 时 gb处 若pm 60 p2 2 2gb 并由 z 10gb 令 z 10gb时 2019 12 20 两级运放的补偿 21 密勒补偿 续 消除密勒补偿中零点的方法增加与补偿电容串联的电阻 切断补偿电容的前馈通路 将零点移到右平面无穷远处 或者左平面并抵消第一非主极点 2019 12 20 两级运放的补偿 22 带补偿的两级运放的转换 正转换速率 红色 当i1 iss 负转换速率 青色 当i1 iss 当i1 iss 当i1 iss 2019 12 20 23 小结 反馈系统存在潜在不稳定性 单极点系统是稳定的双极点系统是稳定的 但相位裕度不大三极点 以上 系统是不稳定的 需要相位补偿 相位裕度pm 60deg 可以兼顾稳定性和瞬态反应速度 补偿方法 减少极点数减小带宽密勒补偿 需要考虑rhz 2019 12 20 二级运放设计实例 24 二级运放设计实例 optional 约束条件电源电压工艺温度 设计描述小信号增益频率响应 增益带宽积gb相位裕度pm输入共模范围 icmr 输出摆幅转换速率功耗负载电容cl 2019 12 20 二级运放设计实例 25 关系方程 60degpm要求 p2 2 2gb else 10gb 2019 12 20 二级运放设计实例 26 设计步骤0 确定正确的电路偏置 保证所有晶体管处于饱和区 为保证良好的电流镜 并确保m4处于饱和区 sx wx lx i6 i7 2019 12 20 二级运放设计实例 27 设计步骤 续 1 根据需要的pm 60deg求cc 假定 z 10gb 2 由已知的cc并根据转换速率的要求 或功耗要求 选择iss i5 的范围 3 由计算得到的电流偏置值 i5 2 设计w3 l3 w4 l4 满足上icmr 或输出摆幅 要求 即饱和区条件 4 验证m3处镜像极点是否大于10gb5 设计w1 l1 w2 l2 满足gb的要求6 设计w5 l5满足下icmr 或输出摆幅 要求 2019 12 20 二级运放设计实例 28 设计步骤 续 7 根据 p2 2 2gb计算得到gm6 并且根据偏置条件vsg4 vsg6计算得到m6的尺寸8 根