第四讲频率特性与补偿.ppt

模拟CMOS集成电路设计DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuit InstituteofVLSIDesign HefeiU ofTech 第四讲放大器的频率特性稳定性与频率补偿 1 频率特性 放大器 高频 反馈 稳定性问题 频率补偿 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容 所以电路的传输函数是频率的函数 称为频率响应或频率特性 2 4 1放大器的频率特性 1 概述2 共源级频率特性3 源跟随器频率特性4 共栅级频率特性5 共源共栅级频率特性6 差动对频率特性 3 1 概述 1 密勒效应 密勒定理 图 a 等效成图 b 的电路 其中 其中Av VY VX 4 利用密勒等效定理 计算图 a 电路的输入电容 其中电压放大器的增益为 A Z 1 CFs Z1 1 CFs 1 A Cin CF 1 A 5 在阻抗Z与信号主通路并联的许多情况下 密勒定理被证明是有用的 注意 如果阻抗Z在X点和Y点之间只有一个信号通道 则蜜勒转换往往是不成立的 用密勒效应估算极点十分简便 在对复杂结构的估算中非常有用 但简化时通常丢掉传输函数的零点 6 2 极点与结点的关联 放大器的级联 有三个极点 电路的每一个结点对传输函数贡献一个极点 Wj 时间常数 极点频率 R为各结点看到地的总电阻 C为各结点看到地的总电容 7 一个结点贡献一个极点 有时是不成立的 且极点的计算较难 如图所示情况 R3和C3在X点和Y点之间产生相互作用 尽管如此 在许多电路中 一个极点和相应结点的这种联系为估算传输函数提供了一种直观的方法 8 如果用密勒定理用来获得输入 输出的传输函数 则不能同时用该定理来计算输出阻抗 在输入端加电压源 在输出端加电压源 9 2 共源级频率特性 1 根据密勒效应估算传输函数 主要误差 1 没有考虑电路零点的存在 2 另一个误差来源于用 gmRD近似放大器的增益 实际上 由于输出结点的电容等原因 放大器的增益是会随着频率而变化的 AV gmRD 10 2 根据小信号模型精确计算 输入结点 输出结点 11 S的系数近似等于 假设 12 输入极点与通过密勒效应估算的输入极点进行比较 输入极点 S2系数为 输出极点 13 若 即若CGS在频率特性中占优势 则 输出极点近似于密勒效应估算输出极点 14 该零点是输入 输出通过CGD直接耦合产生的 位于右半平面 传输函数零点的计算 当s sz时 Vout s 0 产生稳定性问题 使相位裕度更差 简便而有效 15 输入阻抗 高频时 需考虑输出结点 电容CDB 对输入阻抗的影响 中频 CS放大器输入阻抗的计算 1 CGS 若CGD很大 近似短路 16 3 源跟随器频率特性 1 频率特性 通过小信号模型计算 包含一个零点 位于左半平面 17 CL包含CSB 假设两个极点相距远 wp1 wp2 则主极点的值为 如果RS 0 主极点 输出极点 18 2 输入阻抗 先不考虑CGD 低频增益AV CGS蜜勒电容 考虑CGD 19 高频时 输入阻抗由电容CGS CL和一个负电阻串联组合其中的负电阻等于 这种特性在振荡器中应用 负电阻 20 3 输出阻抗 a b 忽略CGD 体效应以及CSB产生的并联输出阻抗 与频率有关 作为缓冲器工作 则必须是较低的阻抗 因此 1 gm Rs 如图 b 21 输出阻抗随频率增加 我们假定阻抗包含电感元件 22 计算电感 Z1 Zout L和R1阻抗 R1 R1和L的并联 电感L 若源跟随器被大电阻RS驱动 则输出阻抗表现出电感的行为 此时 如果驱动大的负载电容在阶跃响应中表现为 减幅振荡 已知 23 4 共栅级频率特性 1 若忽略沟道长度调制效应 没有密勒乘积项 可以达到宽带 2 考虑沟道长度调制效应 极点计算很复杂 可以根据小信号模型计算其极点 24 CGD1的密勒效应由A点到X点的增益决定 A点到X点的增益 由于A到X点的增益小 因此与共源极相比 密勒效应小得多 5 共源共栅级频率特性 约为1 25 2 共源共栅电路中三个极点的相对数值取决于实际的设计参数 一般情况下 取 PX离原点最远 说明 1 密勒效应对共源共栅放大器的频率特性影响较小 X节点的总电容为 这种选择对运放的稳定性起重要作用 26 6 差动对频率特性 简单差动对电流源为负载的差动对有源电流镜为负载的差动对 27 1 简单差动对 由于 Vin1 2和 Vin2 2均与相同的传输函数相乘 在Vout Vin中的极点数等于一条通道上的极点数 而不是两条通路中极点数之和 a 1 差动信号 与共源级相同 等效半边差动电路 共模等效电路 28 2 共模信号 1 高频时电路的共模抑制比下降很多 2 M3存在电压余度与共模抑制比折中的问题 考虑M1和M2的失配 低频共模增益 M3的宽度大 共模抑制比降低 输出结点的电容 高频共模增益 29 2 电流源为负载的差动对 高阻抗负载的差动对 30 1 差动信号2 共模信号与简单差动对类似 交流地 差动半边等效电路 输出极点Wp2 1 ro1 ro3 CL 差动信号 主极点 31 3 有源电流镜为负载的差动对 该电路包含差动传输函数的两条信号通路 与结点E相对应的极点称为 镜像极点 Wp1 Wp2 戴维南等效 位于左半平面 CE包括CGS3 CGS4 CDB3 CDB1 以及CGD1 CGD4的密勒项 32 零点的计算方法 电路由慢通路 M1 M3 M4 和快通路 M1 M2 并联而成 两路传输函数分别为 叠加 SZ 2wp2 33 NOTICE 电流源为负载的差动对没有镜像极点有源电流镜为负载的差动对 单端输出 有镜像极点因此 通常来说 以电流源为负载的全差动电路稳定更好 这是相对于单端电路的优点之一 34 4 2稳定性与频率补偿 为何产生稳定性问题 35 1 反馈系统的正反馈与负反馈 正反馈可以增强放大器对微弱信号的灵敏度或增加增益 负反馈则可以提高放大器的增益稳定性 工作点的稳定性 减小失真 改善输入输出电阻 拓宽频带等 36 2 负反馈 基本负反馈系统 增益为无穷大 产生振荡 环路增益 负反馈 开环环路以及负反馈分别产生 180 相移 因此闭环环路共产生360相移 和源信号同相叠加 如要产生振荡 环路增益 1 37 不稳定系统和稳定系统的环路增益波特图 频率响应 3 增益交点和相位交点 要使系统稳定 必须将相移减至最小 使得当 H 1时 H相移未到 180 或 H 180 时 H 1 38 使环路增益幅值 1的频率 称为 增益交点 GX 使环路增益的相位 180 的频率 称为 相位交点 PX GX和PX对稳定性起重要作用 GX PX 在稳定系统中 增益交点必定发生在相位交点之前 若 减小 幅值曲线下移 增益交点向原点移动 系统更加稳定 最坏情况是 1即单位增益的情况 39 4 波特图 Bode图 频率特性的对数坐标图 由对数幅频特性及相频特性组成 Bode图横坐标 横坐标 W每变化10倍 长度变化1个单位 称为10倍频程纵坐标 采用均匀分度 值为 Bode图特点 可以将幅值相乘转化为幅值相加 便于绘制多个零极点系统的对数频率特性 可以采用渐进线法近似的方法绘制对数幅频图 40 Bode图的绘制 1 幅频特性 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 斜率按 20dB dec变化 2 相频特性 对一个的极点 零点 相位约在0 1的地方开始下降 上升 在处经历 45o 45o 的变化 在大约10处达到 90o 90o 的变化 高频极点和零点对相位的影响可能比幅值的影响更大 41 5 复平面中极点的位置 复平面极点为 其时域冲激响应为 极点在右半平面 极点在左半平面 幅值增大的不稳定态 等幅振荡的不稳定态 稳定状态 极点在零点 42 单极点系统的环路增益的波特图 单个极点不可能产生大于90o的相移 而且单极点系统对所有的正 值都是无条件的稳定 6 单极点系统 43 7 多极点系统 两极点系统环路增益的波特图 若在增益交点处 相位未达 180 则两极点系统是稳定的 当反馈变弱时 增益交点向原点移动 而相位交点保持不变 系统更稳定 而这种稳定性是以更弱的反馈为代价得到的 在运放中 每个增益级产生一个主极点 对带宽起主导作用的极点 44 一个三极点系统的环路增益的波特图 高频极点 和零点 对相位的影响比对幅值的影响大 45 8 相位裕度 增益交点和相位交点的间距 要保证系统的稳定 GX需在PX之前 增大GX与PX的间距 间距越大 系统越稳定 极点处 闭环响