CMOS集成电路设计拉扎维第八章反馈

《CMOS集成电路设计拉扎维第八章反馈》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS集成电路设计拉扎维第八章反馈（39页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第八章反馈 什么是反馈？反馈：系统的输出反过来影响系统的输入反馈：系统的输出反过来影响系统的输入负反馈：负反馈：输出对输入的影响与原输入相反。输出对输入的影响与原输入相反。即：系统在一个条件变化时，系统会作出即：系统在一个条件变化时，系统会作出抵抗该变化的行为。抵抗该变化的行为。在自然界有许多系统有负反馈的特性，在自然界有许多系统有负反馈的特性，例如人的体温上升时会流汗，流汗会散热例如人的体温上升时会流汗，流汗会散热使体温下降使体温下降负反馈会使系统趋于稳定负反馈会使系统趋于稳定正反馈：正反馈：输出变动时，系统输出变动时，系统会放大原来的输出变动，无会放大原来的输出变动，无法达到平衡的效果法达

2、到平衡的效果反馈：闭环传输函数H(s)G(s)环路增益环路增益LGG(s)若与频率无关，可用若与频率无关，可用 反馈系数反馈系数代替代替反馈特性1：降低增益灵敏度1111(1)(A1)11CLYAAAifXAAAA，环路增益（，环路增益（Loop Gain），），A越大，闭环增益就越越大，闭环增益就越精确精确灵敏度降低即是：闭环增益对器件参数的变化没有开环敏感灵敏度降低即是：闭环增益对器件参数的变化没有开环敏感XfXe增益灵敏度降低的例子11122111111 ,for large 111OUTmoINmomoVCg rVCCg rCg r 1112outmoXinXXoutVg rVVVsC

3、VVsC 无源器件组成的无源器件组成的固定值固定值反馈电路的特性反馈电路的特性1.增益增益灵敏度降低灵敏度降低:一个实例（右边共源级电路）:无反馈时:由于 和 都随工艺和温度而 变,电路的增益不稳定.带反馈时:如果 gm1ro1 1,11 omVrgA211112111111CCrgCCrgVVomominout结论结论:负反馈使增益灵敏度负反馈使增益灵敏度降低降低.即即,闭环增益对器件参闭环增益对器件参数极不灵敏数极不灵敏.简单共源级带反馈的共源级1/gm1ro1可忽略1mg1Or2.环路增益环路增益的计算方法：的计算方法：（a）（b）如图（如图（a）所示，将主输入设为零）所示，将主输入设为

4、零，在，在某点断某点断开环路，在开环路，在“顺时针方向顺时针方向”注入注入一个测试信号，一个测试信号，使信号沿使信号沿环路绕环路绕，直到回到这个断点，我们可，直到回到这个断点，我们可得到得到一个电压值。这样导出的传输一个电压值。这样导出的传输函数函数的负值的负值就是环路增益。它是一就是环路增益。它是一个无个无量纲的量。量纲的量。将上述方法应用于上页图（将上述方法应用于上页图（b）所示的）所示的带反带反馈馈的共源级电路，则得到右下图（的共源级电路，则得到右下图（b）所示所示的电路。的电路。由（由（a）图可写出：）图可写出：A-/VV)1(tF则有：FtVAV由图由图(b)可写出可写出:11212

5、11212:)(OmtFFOmtrgCCCVVVrgCCCV即nStep1：输入置为输入置为0，并断开环路，并断开环路nStep2：加测试信号加测试信号Vt，求，求VF反馈电路的特性反馈电路的特性反馈电路的特性反馈电路的特性3.输入阻抗输入阻抗变化变化(a)(c)考虑图（a）的电路，他是一个共栅级电路。两电容构成反馈回路。如图（b）那样，断开反馈回路，可写出：对图（c）的闭环电路，我们可写出：反馈电路的特性反馈电路的特性3.输入阻抗输入阻抗变化变化将M2和M1的漏电流相加，可得出：可求出：输入电阻减小的倍数可证明，此为环路增益 (a)带反馈的共源级带反馈的共源级；(b)输输出出电阻的计电阻的计

6、算算。11221111mbmSSmXDggRRgCCCVI211111121)()(1CCCRggRggRgRIVSmbmDmbmSmDXX对右图（对右图（a）所示）所示的电路，的电路，它是用反它是用反馈改变输出阻抗的馈改变输出阻抗的实例实例。图（。图（b）是此）是此电路输入端短路后电路输入端短路后计算输出阻抗的图。计算输出阻抗的图。由图（由图（b）可得：）可得：所以：所以：反馈电路的特性反馈电路的特性4.输出阻抗输出阻抗变化变化D1DIRVIXX因为：因为：输出电阻减小输出电阻减小假定前馈放大器的传输函数只有一个极点,是:001SASA 0000000011111/)1(ASAASASASX

7、Y此表明，对单极点系统：此表明，对单极点系统：3dB 带宽增加了带宽增加了 (1+A0)倍倍。一个单极点系统的一个单极点系统的增益与带宽乘积不随反增益与带宽乘积不随反馈变化。馈变化。5.带宽变化带宽变化则闭环系统的传输函数是:A0是低频增益,是3dB带宽。0反馈电路的特性反馈电路的特性可见，可见，3dB带宽增加了带宽增加了A0倍，但是以增益的减小为代价的倍，但是以增益的减小为代价的扩展带宽的使用实例扩展带宽的使用实例反馈提供了一种增加电路带宽的方法，如果同时要求高的增益，可以采用多个高带宽放大器级连2 放大器的种类l一一个检测电压的电路必须具有高的输入阻抗（像一个电压表），而一个检测电流信号个

8、检测电压的电路必须具有高的输入阻抗（像一个电压表），而一个检测电流信号的电路必须具有低的输入阻抗（像一个电流表）。的电路必须具有低的输入阻抗（像一个电流表）。l一一个产生电压的电路必须具有低输出阻抗（像一个电压源）个产生电压的电路必须具有低输出阻抗（像一个电压源）,而一个产生电流信号的电而一个产生电流信号的电路必须具有高的输出阻抗（像一个电流源）路必须具有高的输出阻抗（像一个电流源）.放大器的种类放大器的种类每种放大器的简单实现电路每种放大器的简单实现电路:共源级检测和输出电压检测和输出电压信号。信号。共栅级作为跨阻放大器，把作为跨阻放大器，把源极电流信号转换为源极电流信号转换为漏极电压信号。

9、漏极电压信号。共源级作为跨导放大器，检测作为跨导放大器，检测输入电压信号并输出电输入电压信号并输出电流信号。流信号。检测和输出检测和输出电流信号。电流信号。共栅器件改进性能的四种放大器改进性能的四种放大器:改变了输出阻抗，或者提高了增益改变了输出阻抗，或者提高了增益 放大器的种类放大器的种类计算图计算图中中跨导放大器的增益。跨导放大器的增益。答：答：在此情況在此情況下下的的增增益被益被定定义为义为 Gm=Iout/Vin，也就是，也就是211)|(mDOmXoutinXmgRrgVIVVG例題例題:3 检测和返回机制n信信号的检测和返号的检测和返回回l电电压的检压的检测测:要检测一个电压，在检

10、测处并联一个电压表，要检测一个电压，在检测处并联一个电压表，如图（如图（a a）。在反馈系统中，这种检测类型叫）。在反馈系统中，这种检测类型叫“并联反馈并联反馈”。l电电流的检流的检测测:要检测一个电流，在检测处串入一个电流表，要检测一个电流，在检测处串入一个电流表，如图（如图（b b）。在反馈系统中，这种检测类型叫）。在反馈系统中，这种检测类型叫“串串联反联反馈馈”。检测：检测：(a)：检测电压，并联并联电压表 (b)：检测电流，串联串联电流表(c)：检测电流的实际电路，测测Rs的压降的压降检测和返回机制电压相加电流相加n返回：信号相加返回：信号相加n电压相加：串联电压相加：串联(反馈信号反

11、馈信号与输入信号与输入信号不同不同节点节点)n电流相加：并联电流相加：并联(反馈信号反馈信号与输入信号与输入信号同一同一节点节点)9.2 反馈结构 电压电压反馈电压电压反馈:是并是并-串反馈串反馈（反馈网络和输出并联，和输入串联）（反馈网络和输出并联，和输入串联）采采样输出电压并且以电压形式返回反馈信号。样输出电压并且以电压形式返回反馈信号。电流电压反馈电流电压反馈:是串是串-串反馈串反馈（反馈网络和输出串联，和输入串联）（反馈网络和输出串联，和输入串联）采样输出电流采样输出电流,并且以电压形式返回反馈信号并且以电压形式返回反馈信号.电压电流反馈电压电流反馈:并并-并反馈（并反馈（shunt-

12、shunt feedback）采样输出电压并且一部分电流被返回到输入端的相加点采样输出电压并且一部分电流被返回到输入端的相加点.电流电流反馈电流电流反馈:串串-并反馈（并反馈（series-shunt feedback）采样输出电流并且一部分电流被返回到输入端的相加点采样输出电流并且一部分电流被返回到输入端的相加点.1）电压电压-电压反馈电压反馈1.1.反馈网络以并联形式与输出连接，以串联形式与输入连接，是并反馈网络以并联形式与输出连接，以串联形式与输入连接，是并-串反馈。串反馈。理想情况下，理想情况下，输入阻抗输入阻抗无无穷大穷大，输出阻抗为零。于是可写出，输出阻抗为零。于是可写出：,out

13、FVV,FineVVVoutinoutVVAV0001AAVVinoutAo 是是环路环路增益增益。并且，。并且，全部增益减小全部增益减小(1+Ao)倍倍.则：前馈网络前馈网络A0：V-V；反馈网络；反馈网络：V-V信号检测：前馈网络的输出，电压信号，信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联并联信号返回：前馈网络的输入，电压信号，信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联串联2.带电压带电压-电压反馈时的输出阻抗电压反馈时的输出阻抗:0001/,-0,ARIVRVAVIVAVVVVVVoutXXoutXXXXMXFeXF结论结论:带电压带电压-电压反馈的电压反馈的输出端并联，输出端并联，输出阻抗

14、输出阻抗减小减小(1+A0)定性分析定性分析：只要只要环路增益远大于环路增益远大于1，输出值与，输出值与RL无关无关低输出阻抗的低输出阻抗的电压源电压源定量分析：定量分析：电压电压-电压反馈电压反馈3.带电压带电压-电压反馈时的输入阻抗电压反馈时的输入阻抗:00001,ARIVRIAVRIRIAVVVVRIAVRIVinXXinXXinXinXXFXeinXFinXe结论结论:输入端串联，输入端串联，输入输入阻抗阻抗增增大一个因子大一个因子(1+A0)定性分析定性分析：前馈前馈放大器的输入阻抗只承受输入电压的一部分放大器的输入阻抗只承受输入电压的一部分增加了输入阻抗增加了输入阻抗定量分析：定量

15、分析：电压电压-电压反馈电压反馈总之总之，V-V反馈减小了输出阻抗，增大了输入阻抗反馈减小了输出阻抗，增大了输入阻抗，可以，可以用在高阻抗源和低阻抗用在高阻抗源和低阻抗负载之间的负载之间的“缓冲缓冲”级。级。计算计算闭环增益闭环增益,闭环闭环输出阻输出阻抗抗(Calculate the closed-loop output impedance.)计算闭环输入阻抗计算闭环输入阻抗(Calculate the closed-loop input impedance.)(a)(b)4.实例实例:对图（对图（a）的电路，求其输入和输出阻抗。）的电路，求其输入和输出阻抗。电压电压-电压反馈电压反馈解解

16、(a)：1124121012412,2424,112412(),()()()1()Ftmoomooout open loopooooout closed loopmooCVVgrrCCCAgrrCCRrrrrRCgrrCC电压电压-电压反馈电压反馈)|(1)|(A)|(，421211421cl4210211oomoomoomrrgCCCrrgrrgACCC解解:,/1211DmtFoRgCCCVVADmmbmloopclosedinRgCCCggR1211111,1电压电压-电压反馈电压反馈(b)计算计算闭环闭环输入阻抗输入阻抗2）电流电流-电压反馈电压反馈1.反馈网络以串联形式与输出相联反馈

17、网络以串联形式与输出相联以检测输出以检测输出电流电流,并并以串联形式与以串联形式与输入相联反馈一个电压输入相联反馈一个电压,它是串联它是串联-串联反馈串联反馈.;1,FmminoutoutFinmoutoutFineoutFFRGGVIIRVGIIRVVIRVtFmouttFFIRGIIRV,计算环路增益计算环路增益:前馈网络前馈网络Gm：V-I；反馈网络；反馈网络RF：I-VnGm：前馈网络增益：前馈网络增益，跨导的，跨导的量纲量纲nRF：反馈网络增益，电阻的量纲：反馈网络增益，电阻的量纲n串联串联-串联反馈串联反馈2.带电流带电流-电压反馈时的电压反馈时的输出阻抗输出阻抗:FmoutXXo

18、utXXmXFXFFRGRIVRVIGIRIRV1/,结论结论:在反馈系统的输出端检测电流会在反馈系统的输出端检测电流会增加输出阻抗增加输出阻抗.对对右右边边的的电路电路,Rout代表前馈代表前馈放大器的放大器的有限输出阻抗有限输出阻抗,反馈网络产生反馈网络产生一个一个与与Ix成反比的电压成反比的电压VF:定性分析：定性分析：输出电流是输入信号的精确复制（输出电流是输入信号的精确复制（G）高输出阻抗的高输出阻抗的电流源电流源定量分析：定量分析：电流电流-电压反馈电压反馈3.带电流带电流-电压反馈时的电压反馈时的输入阻抗输入阻抗:mFinXXminXFXoutFXeinXeoutminXGRRI

19、VGRIRVIRVVRIVIGRI1,结论结论:输入阻抗增加一个因子输入阻抗增加一个因子(1+RFGm);电流电流-电压反馈使输入输出阻抗都增大电压反馈使输入输出阻抗都增大.定性分析：定性分析：前馈放大器的输入阻抗只承受输入电压的一部分前馈放大器的输入阻抗只承受输入电压的一部分增加了输入阻抗增加了输入阻抗定量分析：定量分析：电流电流-电压反馈电压反馈4.例子例子:利用电流反馈增加共源级电路利用电流反馈增加共源级电路的输出阻抗。的输出阻抗。smmtFRgrAgVV11此处使用了源负反馈11,11oSmmclosedoutrRgrAgR解答解答:使使用图（用图（b）的电路确定环）的电路确定环路增路

20、增益益.电流电流-电压反馈电压反馈反馈网络的反馈系数具有电导的量纲反馈网络的反馈系数具有电导的量纲并联并联-并联反馈并联反馈2.带电压电流反馈时的输入阻抗：带电压电流反馈时的输入阻抗：mFoinXXFmFoinXinXXFgRRIVIgRRVRVII1/定性分析：定性分析：前馈放大器的输入阻抗只承受输入电压前馈放大器的输入阻抗只承受输入电压的一部分的一部分增加了输入阻抗增加了输入阻抗定量分析：定量分析：电压电压-电流反馈电流反馈结论结论:输入阻抗降低一输入阻抗降低一个因子个因子(1+R0 gmF)3.带电压电流反馈时的输出阻抗：带电压电流反馈时的输出阻抗：mFooutXXoutXmFoXout

21、MXXXmFoMFemFXFgRRIVRVgRVRVVIVgRVIIgVI1/,定性分析：定性分析：输出电压是输入信号的精确复制（输出电压是输入信号的精确复制（R）低输出阻抗的低输出阻抗的电压源电压源定量分析：定量分析：结论结论:输出阻抗降低一输出阻抗降低一个因子个因子(1+R0 gmF);电流电流-电压反馈使输入输出阻抗电压反馈使输入输出阻抗都减小。都减小。电压电压-电流反馈电流反馈解解:如第二个图如第二个图,M1 把输入电压转换为电流。然后，把输入电压转换为电流。然后，电流流过负载电阻电流流过负载电阻 RD.因此因此,环路增益环路增益为：为：(gm1RD),输入阻抗为输入阻抗为:Rin,c

22、losed=RF/(1+gm1RD)输出阻抗为输出阻抗为:Rout,closed=RD/(1+gm1RD)4.例子例子:计算电路的输入输出阻抗计算电路的输入输出阻抗在电路中，检测输出电压，并向输入端返回一个电流。在电路中，检测输出电压，并向输入端返回一个电流。电压电压-电流反馈电流反馈4）电流电流-电流反馈电流反馈1.反馈检测一个电流并产生一反馈检测一个电流并产生一个电流个电流2.输入阻抗减小一个因子输入阻抗减小一个因子 (1+A1);3.输出阻抗增加一个因子输出阻抗增加一个因子(1+A1);IIinoutAAII1)1(,IoutcloseoutARR)1(,IincloseinARR电流电流-电流反馈电流反馈的例子的例子因为因为M2 的的源源极极和和漏极电流漏极电流相相等等(在在低低频时频时)，我们在源端网我们在源端网络中使用电阻络中使用电阻 RS 检测输出电流检测输出电流。而电阻而电阻RF是反馈电阻。是反馈电阻。带反馈网络电路的端阻抗总结1.串联串联 就像阻抗串联就像阻抗串联 增加增加2.并联并联 就像阻抗并联就像阻抗并联 减小减小 要点要点:在前馈放大器（在前馈放大器（feed-forward放大放大器）的输器）的输入输出入输出端识端识别反别反馈网馈网络的连接模络的连接模式式.输入、输出阻抗总结输入、输出阻抗总结课 堂 练 习