反馈环路分析

反馈环路分析提要反馈的作用及基本特性稳定性判据反馈环路的ReturnRatio分析法环路增益的Hspice仿真方法反馈的作用及基本特性工艺、电压、温度（PVT）变化IC设计工程师的责任：PVT变化时，电路仍然能够正常工作工艺：Lot-to-lot、wafer-to-wafer、die-to-die工艺corner：SS、FF、typical、FS、SF电压：VDD±10％温度：民品（0～70度），军品（－40～125度）PVT的典型变化值PVT变化的影响PVT变化时，依赖于绝对元器件参数值的电路性能参量将发生大的变化克服方法：余量设计法：电路按照最坏情况进行设计，使得电路性能在最坏情况下依然满足要求电路性能不是最优的：如带宽的余量设计将增大功耗负反馈：电路要求某一性能参量必须为某一确定的常数（如要求电路的增益为某一常数）gmRL、gmro会受PVT变化的影响利用负反馈来降低电路性能对PVT变化的灵敏度负反馈由HaroldS.Black于1927年提出反馈放大器的组成：基本（前馈）放大器反馈网络：常为线性无源元件（f一般为常数，与频率无关）感知输出的机制产生反馈误差的机制Si、So是输入和输出信号（电压或电流）闭环增益（闭环传输函数）环路增益反馈误差信号：很小，基本放大器的输入是一个虚地点反馈信号：输入信号的拷贝计算环路增益负反馈的基本特性闭环增益只要环路增益足够大，整个闭环系统的增益由反馈网络决定由于So/Si~1/f，为实现放大，常令f≤1f≤1是容易实现的直接相连（f=1)或电阻/电容分压器负反馈的作用（1）：

－－－－降低增益的灵敏度基本放大器的增益会由于温度、电源电压、器件老化等的影响而出现变化负反馈可以降低各种变化对增益的影响，得到具有稳定增益的放大器增益灵敏度降低的程度近似与环路增益成反比微分化简例子基本放大器的增益发生10倍的变化，而整个闭环系统的增益仅变化1.8%作用（2）：提高线性度失真：基本放大器增益（传输函数的斜率）随信号的变化而变化引起的降低增益的变化反馈对硬限幅没有改善作用负反馈作用（3）：扩展带宽基本放大器的传输函数应用负反馈后f与频率无关则-3dB带宽扩展（1＋T0）倍对于单极点系统，增益带宽积保持不变负反馈的其它作用反馈可以改变输入、输出阻抗缺点：增益下降：增加额外放大级（硬件和功耗开销）稳定性问题稳定性判据：f为常数（【0，1】）通用稳定性判据稳定性的通用判据：BIBOBoundedinput—Boundedoutput适用于任何系统如果一个连续时间线性系统的所有极点都位于左半平面，则该系统满足BIBO条件检查闭环传输函数分母部分的根是否位于左半平面比较复杂其它稳定性判据Nyquist判据判断依据：基于极坐标图上的T(s)轨迹对任何T(s)都适用（即使T(s)本身是不稳定的，Nyquist判据也照样适用）参见“控制理论”的有关书籍波特图判据Nyquist判据的一个子集（要求T(s)本身稳定）可以用来判断绝大多数电子电路系统的稳定性可能会有例外反馈放大器的稳定性考虑如果某一频率下环路增益T=-1，闭环增益将为无穷大，放大外部噪声而在该频率产生振荡如果某一频率下环路增益T<-1，沿整个环路的增益将大于1，放大内部噪声，信号幅度一直增加，直到放大器因非线性而饱和，使T=-1，产生等幅振荡反馈放大器产生振荡的条件某一频率下，环路增益的相移为180o（正反馈）该频率下的环路增益大于等于1GXPXf减小，环路增益T的相移曲线不变，而幅度（dB）减去一个常数，曲线整体向下移动，导致GX向零点移动，使得系统的稳定性增加，因此f＝1时（单位增益反馈放大器），系统稳定性最差反馈放大器的稳定性条件GX对应的频率小于PX对应的频率GXPX单极点系统单极点系统是无条件稳定的双极点系统双极点系统是稳定的f减小，GX向零点移动，PX保持不变，使得系统的稳定性增加，因此f＝1时（单位增益反馈放大器），系统稳定性最差三极点系统三极点系统可能是不稳定的f减小，GX向零点移动，PX保持不变，使得系统的稳定性增加，因此f＝1时（单位增益反馈放大器），系统稳定性最差相位裕度尽管系统是稳定的，但可能会产生欠阻尼型振荡相位裕度定义：相位裕度大于0，系统才是稳定的相位裕度越大，系统越稳定相位裕度为多少才足够？PM＝45oPM＝60oPM＝90o相位裕度使用范围适用于处理小信号的电路不能用于判断大信号电路的稳定性压摆率限制非线性SPICE仿真：AC分析：PM＝65o，增益带宽积为165MHz瞬态分析：出现纹波反馈环路的ReturnRatio分析法AmplifierwithCa