第十章稳定性与频率补偿-revised

1、西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 1第十章稳定性与频率补偿董刚Email: 2013年6月西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 2本讲内容 稳定性概述 多极点系统 相位裕度 频率补偿 两级运放的补偿 其它补偿技术西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 3负反馈系统的振荡条件，则振荡并且如果判据：，系统振荡180)( 1| )(| 1)()(1)()(jHjHBarkhausensHsHsHsXY西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 4不稳定系统VS稳定系统oooo18011180)

2、(18011180)(，相位；增益，增益稳定：相位，相位；增益，增益不稳定：相位ba西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 5复平面中的极点位置与稳定性）左半平面：稳定状态轴：等幅振荡（）（的振荡）右半平面：幅值增大（项系统响应中包括极点：cYba)(exp,tjjSppppp西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 6单极点系统的稳定性图形式）的幅频与相频图（波特画出环路增益为分析其稳定性：则设)(111)()(1)(000000sHAsAAsXsYsAsH西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 7单极点系统的波特图

3、单极点系统无条件稳定分析反馈系统的稳定性通过环路增益)(H西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 8本讲内容 稳定性概述 多极点系统 相位裕度 频率补偿 两级运放的补偿 其它补偿技术西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 9二极点系统）（但总大于而后逐渐趋近，处，相位等于：对于是稳定的闭环传输函数是二极点系统则是二极点系统若ooo2180-180-135-)()()()()(psHsXsYsHsH西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 10二极点系统：开环VS闭环（1）24)()(2)1 (4)()(0)1 ()()

4、1)(1 ()()(0 )1)(1 ()(21022121210221212, 1210212210021021210ppppppppppppppppppppppppAAsAssAAssAsXsYssAsH）：为闭环的极点（上式分母闭环：均大于、式中开环：西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 11二极点系统：开环VS闭环（2）是稳定的于左半平面，所以系统但是闭环的极点始终位，闭环极点变为复数，闭环极点重合）区间、，闭环极点位于（、闭环极点为2102212102212121022121210221212, 14)( ;4)(;4)(0 ;, 024)()(pppppp

5、ppppppppppppppppAAAAs西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 12三极点系统，则可保证稳定若：稳定的相对位置与相位交点点稳定性：取决于增益交p2p3p2PXPXGXGXPXGX西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 13本讲内容 稳定性概述 多极点系统 相位裕度 频率补偿 两级运放的补偿 其它补偿技术西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 14相位裕度)(180:GXHPMo相位裕度西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 15相位裕度（GX=p2）-180Phase Ma

6、rgin, m = 45西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 16相位裕度（PM=60o，是个合适的值）西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 17大信号应用：时域的Simulation小信号仿真时，PM= 65 但是对于大信号阶跃信号，仍有较大的抖动对于大信号，时域的Simulation更真实有效西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 18本讲内容 稳定性概述 多极点系统 相位裕度 频率补偿 两级运放的补偿 其它补偿技术西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 19频率补偿的原理原理：修改

7、H的传输函数，使GXCE时时:西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 36密勒补偿的极点分裂现象（3）1P P2 2L LL Lf f2 2R R C C1S Sm m9 9L LL Lm m9 9L LP P2 2E EL LS SL LE EL LL LE EL Lm m9 9R R1 1+ +g g R R+ +R R1 1+ +g g R Rf fC C + +C C2 2R R R RC C + +C C2 2R RC C + +C C2 2g g补偿后，在关心的频率内补偿后，在关心的频率内CC近似于短路近似于短路，输出电阻约为，输出电阻约为1/gm9/RL

8、 1/gm9。第二第二主极点提高了约主极点提高了约gm9RL倍。倍。西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 37放大器零点的产生m m9 9Z ZC Cg gf f( (R RH HP P) )= =2 2C CC Cm m9 9 L Lo ou ut tm m9 92 2i in nS S L LE E C CE EC CL LS Sm m9 9 L LC CE EL LC CL LC CS S- -g g R R( (1 1- -) )V V ( (S S) )g g= =V V ( (S S) )R R R R C C C C + + C C + +C C C

9、C S S + + R R1 1+ +g g R R C C + +C C + + C C + +C C R R S S+ +1 1西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 38负零点与正零点（RHP）西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 39零点与相位裕度的关系西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 40RHP 零点的消除方法（1）VE- -1 1Z ZC Cm m9 9Z Z- -1 1E Em m9 9E EZ ZC C- -1 1m m9 9Z ZC Cm m9 9Z ZC CV V= = g gV VR R

10、+ + 1 1/ /C C S S1 1S SR R+ + 1 1/ /C C S S = = g g1 1f f = =2 2 g g- -= =g gC CR RR RC C- -当当gm9-1RZ， fZ ，零点在零点在无穷远处，即零点被消除了！无穷远处，即零点被消除了！西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 41RHP 零点的消除方法（2）1CC(1/gm9 RZ)gm9CL CERZCL CE CCgm9CCCL CCgm9CC当当gm9-1RZ， 零点移到左半平面，若满足下面条件，则以前的零点移到左半平面，若满足下面条件，则以前的第二个极点就和该零点对消了

11、，即以前的第二个极点消除了！第二个极点就和该零点对消了，即以前的第二个极点消除了！该零、极点对消技术的缺点是该零、极点对消技术的缺点是RZ是负载电容是负载电容CL的函的函数，当负载电容未知或变化时，该技术很难实现。数，当负载电容未知或变化时，该技术很难实现。西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 42RHP 零点的消除方法（3）1 15 5G GS S1 13 3G GS S9 9G GS S1 15 5G GS S1 14 4m m1 15 5m m1 14 41 14 4V V= = V VV V= = V Vg g= =g g- -1 1- -1 11 14 4

12、L Lo on n1 15 5m m1 14 4m m9 9Z Zm m1 15 51 15 5C C1 1C CR R= = = g g= = g g ( (1 1 + +) )= = R Rg gC C1 15 51 14 49 9D D9 9D D1 14 4C CL L( (W W/ /L L) )= =( (W W/ /L L) ) ( (W W/ /L L) )I I/ /I I( (1 1 + + C C / /C C ) )跟踪温度和工艺跟踪温度和工艺而生成而生成Vb的电路的电路西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 43RHP 零点的消除方法（4）g

13、m9 ID9ID111/RSRZ与与RS的适当比率可保证的适当比率可保证RZ=(1+CL/ CC)/gm9成立成立西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 44负载电容对阶跃响应的影响增大负载电容对单级运放与两级运放阶跃响应的影响增大负载电容对单级运放与两级运放阶跃响应的影响西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 45两极运放中的转换（1）简单简单两级运放两级运放西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 46两极运放中的转换（2）正正转换期间的简化电路转换期间的简化电路负转换期间的简化电路负转换期间的简化电路西电微电子：

14、模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 47运放的其它补偿技术（1）VoutminVGS2+VI2 ,源跟随器源跟随器M2减小了减小了输出电压摆幅。输出电压摆幅。西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 48运放的其它补偿技术（2）fp112RSgm1RLCCfp2gm12CL- -1 1m m1 11 1o ou ut tL LL Lg g V V + + V V( (R R+ + C C S S) )= = 0 0o ou ut t1 11 1i in nS Sm m2 2C CV V- - V VV V+ +I I= =1 11 1R R+ +g g

15、C C S So ou ut tm m1 1L LS Sm m2 2C C2 2i in nL LL LC Cm m2 2S Sm m1 1 m m2 2L LS SC Cm m2 2L LL Lm m2 2V V- -g g R R R R( (g g + +C C S S) )= =I IR R C C C C( (1 1+ +g g R R ) )S S + + 1 1+ +g g g g R R R R C C + +g g R R C CS S+ +g g西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 49运放的其它补偿技术（3）前面补偿技术中的源跟随器限制了输出电

16、压摆幅，本电路中前面补偿技术中的源跟随器限制了输出电压摆幅，本电路中VominVon1，从后面的分析中还可看见，其带宽比前种补偿技从后面的分析中还可看见，其带宽比前种补偿技术更宽，但所需静态功耗比前种补偿技术更大。术更宽，但所需静态功耗比前种补偿技术更大。西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 50运放的其它补偿技术（4）fp112RSgm1RLCCfp2gm1gm2RS2CLm m2 22 22 2o ou ut tC Cg gV VV V + + V V+ += = 0 0C C S Sm m1 11 1o ou ut tL LL Lm m2 22 2g g V

17、V + + V V( (1 1/ /R R + + C C S S) )= = g gV Vo ou ut tm m1 1L LS Sm m2 2C C2 2i in nL LL LC Cm m1 1S Sm m2 2L LC CC Cm m2 2L LL Lm m2 2V V- -g g R R R R( (g g + +C C S S) )= =I IR R C C C C S S + + 1 1+ +g g R R g g R R C C + +C C + +g g R R C CS S+ +g gfp2增加了增加了gm2RS倍倍,电路可提供电路可提供更大带宽。更大带宽。西电微电子：模拟

18、集成电路设计 StabilityCh. 10 # 51前述补偿技术两极运放中的转换正正转换简化电路转换简化电路负转换简化电路负转换简化电路西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 52本讲内容 稳定性概述 多极点系统 相位裕度 频率补偿 两级运放的补偿 其它补偿技术 两级运放的设计西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 53两级运放的转换速率（SR）Basic Two-Stage Op Amp西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 54两级运放的正向SR与负向SRCSSCISR 西电微电子：模拟集成电路设计 Stabi

19、lityCh. 10 # 55两级运放的设计实例（1）ovLLDDPMAnsVpFCkRVV652000100%05. 02V4 . 45100 50总的稳定时间要求稳定精度阶跃输入单位缓冲，输出摆幅、性能指标Vvv V. V.m fF/CA/V CA/V Cthpthn-p-noxoxpoxn7 . 0|)m0.5L(20)m0.5L( 1030,3060:工艺11222，参数西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 56两级运放的设计实例（2）MHzGBWMHztGBWnsnstnsIVCtVVVVVVICGBWSRVtCISRVCIGBWVCICgCArrAAfA

20、GBWAAADCtotaldsatdsatDCtotalCDdsatCDdsatCDCmCvoovvpvvvv3528122000ln4310052. 352. 110052. 32 . 02%05. 0)1ln(2)1ln(2222)|(21SRGBW%05. 0%05. 07227727222422110210，考虑设计余量，取，其中得代入，与放的总的稳定时间与两级运西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 57转换速率与小信号建立GBWSRVtttGBWtSRVtOUTSRtotalOUTSR1 . 121000ln%1 . 0%1 . 0西电微电子：模拟集成电路

21、设计 StabilityCh. 10 # 58两级运放的设计实例（3）GBWfffGBWGBWffGBWGBWffGBWfGBWPMCfCCfffpzozzoppzpoCzCnpzp37 . 5)(tan105 .18)(tan3)(tan)(tan902g)1 (C2gC2gGBWPMGBW21212121m61Lm62Cm22，取以及更高阶极点的相移因此考虑到，则若，则若，与、西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 59两级运放的设计实例（4）pFCCCCCCpFCpFCLWCumumLWuAIVVmsGBWCgCgCCCgfCgfCnCnCLnoxnDdsatLmLmCnLmpnmp8 . 0532 . 0MOSFET14. 0325 . 0138 3302 . 03 . 3322)1 (211166166666162162，取倍的一般取上述估算中，前提为连线寄生电容，取寄生电容及，考虑其它此时，则取，进而估算估算通过西电微电子：模拟集成电路设计 StabilityCh. 10 # 60两级运放的设计实例（5）AImsgGBWC