集成CMOS模拟电路第八章反馈

1、CMOS模拟集成电路设计Design of Analog CMOS Integrated Circuit Oct.2013郑然西北工业大学航空微电子中心嵌入式系统集成教育部工程研究中心CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈2本章内容第八章 反馈CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈3本章内容n8.1 概述n8.2 反馈结构n8.3 负载的影响n8.4 反馈对噪声的影响CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈48.1 概述 反馈是模拟电路中广泛采用的一种电路技术

2、。 负反馈可以提供高精度的信号处理，正反馈可是使电路建立振荡。本章主要对负反馈进行研究，说明反馈(指负反馈)电路的优点。研究四种常用的反馈电路结构及其特点，并分析反馈网络的负载效应。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈58.1 概述 右图是一个负反馈系统。由四个要素构成1、H(s)：前馈放大器2、G(s)：反馈网络3、检测输出的方式4、产生反馈误差的方式)()()()()()(1)()()(sGsYsXsesHsGsHsXsY误差信号传输函数对于设计优良的反馈系统误差信号接近于零，也就是说输入输出关系仅仅由G(s)来决定。CMOS模拟集成电路设计

3、Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈68.1.1反馈电路的特性1、增益更稳定开环增益的工艺、温度的依赖性很大。而对于闭环增益只要电容采用同样的材料和较好布局匹配，其电容的比值可以设计的相当精确。所以说增益的“灵敏度”降低了。211CCVVrgAinoutOmv闭环增益开环增益注意：计算开环低频增益时，认为电容是开路的。计算闭环增益时利用两个电容流过的小信号电流相同列出等式求解。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈78.1.1反馈电路的特性对于一个更一般的系统(右图)11 (1)1111(1)1(11AAAAAAAAXY可以

4、看出闭环系统对开环增益的变化并不敏感。A称为环路增益，可以发现：)(/ 1折衷就越小。高，但闭环增益越大，反馈系统精度越越大，A。越接近，环路增益越大，该值反馈网络的输出为XAAX)1/(CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈88.1.1反馈电路的特性环路增益的求法AVVVAVtFFt/) 1(1121211212)(OmtFFOmtrgCCCVVVrgCCCV开环增益中忽略了反馈网络的影响。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈98.1.1反馈电路的特性分析一下这个反馈网络中的四个要素：M1和电流源构

5、成前馈放大器，电容C2检测输出电压并将其转化为电流信号。C1，C2的串联为反馈网络。X点电流汇合是产生反馈误差的方法。即使开环增益因为温度、工艺、频率、负载的变化而发生变化，闭环增益会表现的不那么敏感。 比如在频率较高时，开环增益减小很多，但闭环增益相对保持稳定，其幅值平坦的带宽范围也要宽的多。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈108.1.1反馈电路的特性2、终端阻抗的变化反馈引起输入阻抗的变化 (忽略沟道调制)/(111,mbmopeninggR对于闭环 环路增益211211,11221111111/)()(CCCRgggIVRggVgCCC

6、RggVIDmmbmXXclosedinmbmXmDmbmXX输入阻抗下降到原来的环路增益的倒数倍。说明反馈的四个部分？CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈118.1.1反馈电路的特性反馈引起输出阻抗的变化(低频情况，不计沟道调制) )/(11122111mbmSSmXDggRRgCCCVI环路增益21111112,11)()(1/CCCRggRggRgRRIRVISmbmDmbmSmDclosedoutDDXX输出阻抗减小到大约环路增益的倒数的倍数。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈128.1.

7、1反馈电路的特性3、带宽的变化中有的反馈系统将其加入反馈系数为对于一个单极点系统,/1)(00sAsA0000)1/(1)1/(AsAAXYSS闭环系统相对于开环系统来讲，增益减小，带宽增加。两者单位增益带宽保持一致 00ACMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈138.1.1反馈电路的特性 开环系统增益高但延时常数比较大，闭环系统增益小但延时常数比较小。那么如何通过闭环系统实现高速高增益结构呢？采用具有指标：增益100，-3dB带宽=10M的运放设计系统。要求增益100。采用单个运放和闭环电路分别实现的系统时延常数为16ns和1.6ns。4、非线性

8、情况好转CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈148.1.2放大器的种类之前分析的大多放大器属于电压放大器，这些电路在输入端检测电压信号，在输出端产生一个电压信号。下面总结了其它三种放大器。(1)检测电压、电流的电路必须分别具有高、低的输入阻抗。(2)产生电压、电流的电路必须分别具有低、高的输出阻抗。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈158.1.2 放大器的种类下面举出四种放大器对应的实例：这些电路的性能往往不能达到理想，比如(a)，(b)中，作为产生电压的电路，它们的输出阻抗太高。可以稍做改进，改

9、善输出阻抗、增益等指标，如右图。(c)图增益可以表示为211)|(mDOmXoutinXmgRrgVIVVGCMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈168.1.3 检测和返回机制反馈网络必须检测输出信号(电压或电流)，并将该信号以电压或电流的方式返回到输入端与输入信号相减。(a)检测电压，返回电压(b) (c)检测电流，返回电压(d) 使电压相减可以采用差分对(e) (f)采用单独的MOS管使电压相减。(g)(h) 实现电流相减。 CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈178.2反馈结构1、电压电压反馈

10、反馈网络检测输出电压信号，产生反馈电压信号，所以对于这样的网络理想情况下输入阻抗无穷大，输出阻抗为0。0001AAVVVAVVVVVVinouteoutFineoutF增益减小实例原理8.2节的分析认为反馈网络阻抗为理想值CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈188.2反馈结构电压电压反馈对终端阻抗的影响据前分析，电压电压反馈使增益灵敏度下降，即系统的负载RL的变化，不容易对反馈系统的输出幅值造成影响，换言之，反馈系统接近于一个理想的电压源，其必然具备小的输出阻抗。可稍作分析。001/ ARIVRVVIAVVoutXXoutMXXXM输出阻抗较开环

11、阻抗明显减小CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈198.2反馈结构接下来分析输入阻抗输入阻抗较开环明显增加对于开环结构，Vin的全部变化由Rin承担，而在反馈结构中Vin的变化只有一部分被Rin承担，所以流过Rin的电流减小，输入阻抗相应增加。可从右图证明：)1 (00ARIVRIAVRIinXXinXXinX以共栅极为例，根据前面讲过的共栅极跨导可知输入阻抗： Vx/Ix=Rs+1/gm。而此处Rs作为反馈网络提供反馈电压。根据Rin=1/gm，Rout=RD,A0=gmRD, =Rs/RD。可计算出输入阻抗。CMOS模拟集成电路设计Copyr

12、ight 2013, Zhengran第8章 反馈208.2反馈结构例：求图中反馈结构的闭环增益和输出阻抗(先求环路增益)121142121142,4212114211)|(1|)|(1)|(mOOmOOclosedoutOOmOOmclosedgCCCrrgCCCrrRrrgCCCrrgA开环增益随开环阻抗一起变化，造成闭环输出阻抗的变化对开环阻抗变化的不明显。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈218.2反馈结构例：求图中反馈结构的输入电阻(不考虑沟道调制)环路增益为)/(/2111CCCRgVVDmtF闭环输入阻抗为)1 (1211111,

13、CCCRgggRDmmbmclosedin由于反馈的存在，Vin的变化只有一部分加在了栅源电压之间，所以由它产生的电流也会相应减小。输入阻抗相应的有所增加。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈228.2反馈结构2、电流电压反馈 反馈网络检测输出端的电流，产生一个反馈电压。因此反馈网络具有电阻的量纲。其理想的输入输出阻抗都为零。闭环增益：FmminoutoutFinmoutoutFineRGGVIIRVGIIRVV1)(环路增益：FmtoutmFtoutRGIIGRII|/|)(闭环增益约减小为开环增益的 。FmRG1CMOS模拟集成电路设计Cop

14、yright 2013, Zhengran第8章 反馈238.2反馈结构电流电压的反馈对终端阻抗的影响 反馈检测输出电流，并使之成为输入信号的精确复制，所以对于输出端来讲这一电流信号应保持相对恒定。这种特性近似于恒流源，所以此类反馈应具备高输出阻抗。)1 ()(FmoutXXFXmoutXXRGRIVRIGRVI输入、输出阻抗都增加环路增益的倍数。)1 (0FminXXinXFminXXRGRIVRIRGRIVGm产生的电流与Ix反向，事实上减小了测试源产生的电流输入阻抗输出阻抗CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈248.2反馈结构例：求电路的输

15、出阻抗(r非常小)1 (11,1rAgrRrAgVVmOclosedoutmtFr用来检测电流，并输出一个反馈电压。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈258.2反馈结构3、电压电流反馈输出端检测电压，前馈放大器为跨阻放大器，反馈网络具有跨导的量纲。001RgRIVmFinout增益减小。这种反馈应该使输入阻抗和输出阻抗同时减小。下页进行详细的分析。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈268.2反馈结构电压电流反馈的终端阻抗分析(前馈网络以共栅极为例，R0是负载)mFinXXFmFinXinXXFg

16、RRIVIgRRVRVII001)/(/mFoutXXoutMXXXmFMgRRIVRVVIVgRV001/ )(CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈278.2反馈结构例：求下面电路的低频输出跨阻(不考虑沟道调制)环路增益DmtFRgCCCVV1211/DmDclosedRgCCCRR12111低频跨阻CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈288.2反馈结构例：求下面电路的输入输出阻抗确定反馈类型为电压-电流反馈开环输入阻抗为FR(判断此输入阻抗时可与图8.32(a)进行类比:输入阻抗承载的电流是反馈

17、电流与输入电流之差，这个电流差流过前馈跨阻产生成Vout，该结构减小了输入阻抗)(DFRR 开环输出阻抗为DR所以闭环情况下的输入输出阻抗分别为：DmDclosedoutDmFclosedinRgRRRgRR11,CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈298.2反馈结构电压-电流反馈低输入阻抗应用实例感光二极管将光转换为电流，这一电流通过电阻R1转换为电压。对于微弱的光信号R1不能太小。但是由于二极管的等效电容比较大，所以此处形成的RC延迟常数也相对较大。为了缓解这一问题，可以采用(b)中的结构，构造一个电压电流反馈，使R1的左端呈现出较小的输入阻

18、抗。ARRclosedin11,输出电压近似等于R1ID1CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈308.2反馈结构4、电流-电流反馈闭环电流增益IIinoutAAII1输入输出阻抗IopeninclosedinARR1,)1 (,IopenoutclosedoutARRCMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈318.2反馈结构电流-电流反馈实例，计算其闭环增益(不考虑沟道调制)错了，需修改环路增益(从RF右侧断开)SmSDmmSmDFmmclosedISmDFmmOpenIoutSmmDmFinSmSDm

19、mtYRgRRggRgRRggARgRRggAIRggRgRIRgRRggVV221221,221,221221111111推导时注意开环的输入阻抗为RF 不考虑沟道调制时，输出阻抗为无穷大与反馈无关。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈328.2反馈结构电压电压反馈：增益输入阻抗输出阻抗减小减小增大增大减小减小电流电压反馈： 减小减小 增大增大 增大增大电压电流反馈： 减小减小 减小减小 减小减小电流电流反馈： 减小减小 减小减小 增大增大反馈使电路趋于理想特性：检测电压的反馈输出阻抗减小，检测电流的反馈输出阻抗增大。电压做反馈量的输入阻抗增大

20、，电流做反馈量的输入阻抗减小。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈338.3负载的影响 前面分析的反馈网络，都认为具有理想的输入输出阻抗特性，认为其对电路的开环特性没有影响。事实上一个反馈网络是个二端口网络，它的加入改变了开环电路的负载环境，会对开环特性造成影响。首先，复习一下二端口网络。无独立源二端口网络模型包括Z模型，Y模型，H模型，G模型。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈348.3负载的影响抗。，输入开路时的输出阻抗。，输出开路时的转移阻抗。，输入开路时的转移阻。输出开路时的输入阻抗模型0

21、22220122102112011111212,IIIIIVZIVZIVZIVZZ21222112112122212122121111IIZZZZVVIZIZVIZIZV即：响应 激励CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈358.3负载的影响纳。，输入短路时的输出导纳。，输出短路时的转移导纳。，输入短路时的转移导。输出短路时的输入导纳模型022220122102112011111212,VVVVVIYVIYVIYVIYY21222112112122212122121111VVYYYYIIVYVYIVYVYI即：CMOS模拟集成电路设计Copyrig

22、ht 2013, Zhengran第8章 反馈368.3负载的影响纳。，输入开路时的输出导。，输出短路时的电流比。，输入开路时的电压比。输出短路时的输入阻抗模型022220122102112011111212,IVIVVIHIIHVVHIVHH21222112112122212122121111VIHHHHIVVHIHIVHIHV即：CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈378.3负载的影响抗。，输入短路时的输出阻。，输出开路时的电压比。，输入短路时的电流比。输出开路时的输入导纳模型022220122102112011111212,VIVIIVGV

23、VGIIGVIGG21222112112122212122121111IVGGGGVIIGVGVIGVGI即：CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈388.3负载的影响选择合适的模型是进行反馈网络阻抗分析的关键。比如对于电压电压反馈来说：所选择的模型，必须满足这一类反馈的理想特性即输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，所以：模型呢？类反馈网络。那么模型不适合用来描述此所以，则必须为为有限值时，根据，YZVIVIZIZVIZIZVZZ000211222121221211112211，22110YY。两端短路，输出电压为，意味着0222VYY模型也不合适。H模

24、型也可由类似分析推出一样不合适。G模型是适合的CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈398.3负载的影响1、电压电压反馈的负载特性 (G模型等效反馈网络)令G11及G22为零可求出理想情况下的闭环增益)1)(1)1)()1)()()(1122120211122120112212021120121102122GZGZZZGZAGGZGZZZGZAGZGZZZGZAGZZGZAVVIGVGZZIAVVGGZIVoutinoutoutinoutinoutoutinoutinoutoutinoutoutininoutinoutoutininoutoutin

25、ininCMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈408.3负载的影响输可以忽略。那么反馈通路的反向传如果,)(1)1)(012120111111221122120,outinoutinoutinoutinoutinopenvZZAGZGZAZGGGZGZGZGZZAA此时电路可转化为上页(b)。开环增益可以重新写出在下页。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈418.3负载的影响Zin如果太小，Zin和G22之间的电压分配会使经过前馈通路的信号衰减。Zout如果太大，Zout和G11之间的电压分配会使输出

26、信号衰减。011111122,AZGGGZZAoutininopenv反馈网络阻抗的非理想性使开环电路中输入端看到的电压及输出电压减小。进一步计算环路增益时可以用G21乘以本页最上方有负载的开环增益。等效的开环结构如右图所示：CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈428.3负载的影响可见，只要求出G11和G22就能可以算出开环增益。计算环路增益时只需将开环增益乘以G21。也可以进一步计算出输入和输出阻抗。如何计算G11和G22呢？011112IVIG022221VIVG根据左图原理将电路断开即可获得相应的导纳或阻抗的值。CMOS模拟集成电路设计Co

27、pyright 2013, Zhengran第8章 反馈438.3负载的影响例：求图中电路的开环增益和闭环增益。(忽略沟道长度调制)022220111112VIIVGVIG，根据 输出网络中负载的影响可以由RF左端开路得到。输入网络中负载的影响可以由RF右端接地得到。由(b)图可直接写出开环增益(根据开环结构来写)(|/1|2211,SFDmmSFDinYopenvRRRggRRRVVA断开反馈的原理CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈448.3负载的影响也可对照图8.38(b)，构建类似的反馈系统。)(|/1|/1/1)56. 8(/1)(|)

28、(22112211211,122211002222101111112SFDmmSFDDmDmDSFSFSFmmopenvminDoutDmDmSFVSFIRRRggRRRRgRgRRRRRRRggAgZRZRgRgARRIVGRRVIGM得到代入各参数按照式构建反馈系统电压。栅源电压之差看做误差把SFSIRRRVVG012212闭环增益为：openvopenvclosedvAGAA,21,1CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈458.3负载的影响2、电流电压反馈的负载特性 (Z模型等效反馈网络) 理想情况下要求输入阻抗为0，输出阻抗为0。带有导纳

29、的二端口网络模型会出现V1或V2被短路的情况，因此都不合适。考虑Z模型如(a)。忽略Z12得到(b)moutoutininopenmmoutoutininmoutoutinininoutGZZZZZZGZGZZZZZZGZZZZZZVI1122,21112211221开环增益：CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈468.3负载的影响输入端的电压分配和输出端的电流分配可由下图表示moutoutininopenmGZZZZZZG1122,根据022220111112,IIIVZIVZ断开I2，求Z11。断开I1求Z22。CMOS模拟集成电路设计Cop

30、yright 2013, Zhengran第8章 反馈478.3负载的影响例：求所示电路的开环闭环增益采用上面讲的方法将反馈网络断开，可直接写出开环增益313221311,/1)(|/1)(|mSFSDmmSFSDopenmgRRRRggRRRRG）（参考图c1313012212FSSSSIRRRRRIVZ那么闭环增益为openmopenmclosedmGZGG,21,1注意输出信号为电流，反馈网络是RS1RS3RF三个电阻构成的。也可构建反馈系统按参数带入求解。CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈488.3负载的影响3、电压电流反馈的负载特性

31、(Y模型等效反馈网络) 理想情况下要求输入阻抗为无穷大，输出阻抗为无穷大。Y模型适合于描述此类反馈。0111111122122, 021011111112212201111111221221RYZYYZYRYRYZYYZYRYZYYZYIVoutinopenoutinoutininout开环增益：CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈498.3负载的影响 下图描述了输入端电流分配，和输出端电压分配的情况。022220111112,VVVIYVIY根据短路V1和V2求出相应跨导CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第

32、8章 反馈508.3负载的影响 例：计算(a)电路的电压增益。 RF检测输出电压，返回一个电流。将输入信号变换为电流信号就能够与返回信号做差。故做诺顿等效(b)。)|()|(, 0DFmFSNoutopenRRgRRIVRFVRVIY/1012212)/()|(1)|()|(1FSSDFmDFmFSSinoutRRRRRgRRgRRRVV 如果把RF换成电容，计算时不会出现零点。是由于忽略了反馈网络的反向传输(Y12)CMOS模拟集成电路设计Copyright 2013, Zhengran第8章 反馈518.3负载的影响4、电流电流反馈的负载特性 (H模型等效反馈网络) 理想情况下要求输入阻抗为0，输出阻抗为无穷大。H模型适合于描述此类反馈。Iouto