《频率补偿》PPT课件

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1、华 侨 大 学 IC设 计 中 心稳定性与频率补偿n负反馈在模拟信号处理中得到广泛应用。然而，反馈系统有潜在的不稳定性，即可能会振荡。n本章我们研究线性反馈系统的稳定性和频率补偿，研究的内容对于理解模拟反馈电路的设计问题是必需的。在理解了稳定性判据和相位裕度概念之后，我们研究频率补偿，介绍适合各种运算放大器结构的不同的补偿技术。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心基本负反馈系统 ( ) ( )( ) 1 ( )Y s H sX s H s 华 侨 大 学 IC设 计 中 心负反馈系统振荡条件n一个负反馈系统如果满足下列二个条件，便可以在某个频率下产生振荡，这二个条件是：（1）在这个频率下，围绕

2、环路的相移能大到使反馈变为正反馈；（2）环路增益足以使信号建立。因此，要避免不稳定，我们必须把总的相移减至最小，以使得当时 ，其相位仍比-180更正。 ( ) 1H s 华 侨 大 学 IC设 计 中 心不稳定系统和稳定系统的环路增益的波特图 n使环路增益的幅值等于1和使环路增益的相位等于 -180的两个频率在稳定性方面起着重要作用，分别称这两个频率点为“增益交点”和“相位交点” 。 n相移达-180的频率下的增益称为过量环路增益；环路增益下降到1的频率下的相位称为过量相位。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心不稳定系统和稳定系统 华 侨 大 学 IC设 计 中 心运放的频率补偿 华 侨 大

3、学 IC设 计 中 心运放的频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心运放的频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心相位裕度 n要保证系统的稳定， 必须在达到 -180之前下降至1 。哪PX应离开GX多远合适呢？ ( )H s 华 侨 大 学 IC设 计 中 心相位裕度n假设GX处，其相位等于-175，在GX处， )175exp(1)( 1 jjH )(1 )()( 111 jHjHjXY )175exp(1 )175exp(1 jj 0872.00038.0 0872.09962.01 jj 0872.0 11)( 1 jXY 5.11 华 侨 大 学 IC设 计 中 心时域响应n在低

4、频下， ，但在 附近，闭环频率响应出现一个尖峰。换句话说，闭环系统接近振荡，其阶跃响应呈现欠阻尼振荡特性。这也表示，尽管一个二阶系统是稳定的，但还是可能有产生减幅振荡的缺点，建立时间较长。/1|/| XY 1 华 侨 大 学 IC设 计 中 心时域响应n在增益交点频率 处，相位为-135 1 n反馈系统的频率响应有30%的峰值。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心时域响应 华 侨 大 学 IC设 计 中 心大信号时域响应n模拟得到的相位裕度为65，单位增益频率为150MHz。然而，该电路的大信号阶跃响应，有相当大抖动。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 n常用的运放电路包含许多极点。

5、运放通常必须“补偿”，以使闭环电路是稳定的，而且时间响应的性能也是良好的。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿n环路增益的波特图 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心相位余度与极点的关系 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心频率补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心两级运放的补偿 n三个极点：在X（或Y）有一个；在E（或F）有另一个；第三个极点在A（或B）。在X的极点处在

6、较高的频率处。由于在E点所看到的小信号电阻相当高，将产生一个较靠近原点的极点。在结点A处，小信号电阻较低，但的CL值可能相当大。结果是，我们说这个电路出现两个主极点。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心两级运放的补偿n两级运放的环路增益的波特图 n在结点E和A的极点均较靠近原点，相位接近-180，远低于第三个极点。换句话说，连在第三个极点还未产生相移，相位裕度都可能已很接近0。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心两级运放的补偿 华 侨 大 学 IC设 计 中 心密勒效应 1FZ C S 1 11 (1 )v FZZ A A C S 输入电容等于CF(1+A) ，相当于放大了 (1+A) 华 侨

7、 大 学 IC设 计 中 心密勒补偿 1 21 (1 ) out E v CR C A C 21(1 )eq v CC A C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心密勒补偿n密勒补偿不仅降低了所需的电容值，还带来一个非常重要的特性：它把输出极点向离开原点的方向移动。这种效应称为“极点分裂”)/(1 2 LLp CR 2 9 /p m Lg C 密 勒 补 偿 把 输 出 极 点 的 数 值 增 加 到2 9 2p m Lp g R 华 侨 大 学 IC设 计 中 心密勒补偿n密勒补偿使两级间的极点向原点移动，使输出极点向离开原点的方向移动。同时，与单纯地在级间结点与地之间连接一个补偿电容相比较，

8、密勒补偿提供大得多的带宽。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心第六章 共源放大器的零点 n CGD提供一个前馈通路，传导高频输入信号到输出端。当s=sZ时，传输函数Vout(s)/Vin(s)必须下降至零。这意味着Vout(sZ)0，即输出能对地短路 。11 1 11 m GD z mz GDV g V gS CC S 产生一个右半面的零点 华 侨 大 学 IC设 计 中 心右半面零点问题n由于CC形成从输入到输出的寄生信号通路。 9 9 mz c GDgS C C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心传递函数的零极点（右半面的零点）101( ) 1 SH s S 01 100 /10000 /

9、rad srad s 华 侨 大 学 IC设 计 中 心右半面零点影响n在右半平面的一个零点贡献更大的相移，因此使相位交点向原点移动。而且，这零点减缓了幅值的下降，因而使增益交点外推，更远离原点。结果，大大地减低了稳定性。 1mz CC GDgS C C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心右半面零点影响n两级运放中右半平面的零点是一个严重的问题，因为在它的表示式中，gm较小，而要使主极点处在适当的位置，Cc又要选得足够大。Sz比较靠近原点。 1mz CC GDgS C C 9 91 ( )Pole out m L C GDS R g R C C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心减小右半面零点

10、的影响n增加一个与补偿电容串联的电阻 1 111 1 11 1(1 )1 ) ( )( m mz CC m z CmzCC GD zmz g gS C g RV g VRC C S C Rg n增加一个与补偿电容串联的电阻 ,可以把零点推到高频处 华 侨 大 学 IC设 计 中 心减小右半面零点的影响1 1 1 11(1 ) ( )m mz CC m z C zmg gS C g R C Rg n但实际上，我们可以把零点移到左半平面，以便消除第一个非主极点 12 mP LgS C 2z pS S 9191 mLC m Z gCC g R 9L Cz m CC CR g Cn消除非主极点的可能性

11、使这一方法具有很大的吸引力。但在实际中有两个严重缺点是必须考虑的。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心非主极点抵消技术缺点n 1、首先，很难保证上式关系成立，尤其是负载电容CL未知或变化的情况下，更是如此。在采样保持电路中，在一个周期内从其中半周期转换到另一半周期工作时运放的负载电容是变化的，这要求Rz作相应的变化并使设计变得复杂。 9L Cz m CC CR g C n 2、Rz一般由工作在线性区的MOS晶体管实现当输出电压的变化幅值通过耦合到结点X时， Rz会发生显著变化，因而减缓了大信号的稳定响应。 华 侨 大 学 IC设 计 中 心负载电容对阶跃响应的影响n增大负载电容对单级运放与两级

12、运放阶跃响应的影响 华 侨 大 学 IC设 计 中 心放大器的转换速率 华 侨 大 学 IC设 计 中 心放大器的转换速率 华 侨 大 学 IC设 计 中 心放大器的转换速率 华 侨 大 学 IC设 计 中 心两级运放中的转换 华 侨 大 学 IC设 计 中 心其他补偿技术 sCRVVg LLoutm 111 sCRRg VV LLLm out 111 Sinscgout RVIVV cm 111 12 华 侨 大 学 IC设 计 中 心其他补偿技术 222122 2111 mLLmCSLmmSmCLL CmSLminout gsCRgCRRggsRgCCR sCgRRgIV 21 1 2mp

13、 m m L S cgg g R R C 2 1p p 1 2 12 2m m L S C mp LL S L C mg g R R C gCR R C C g 2 1/( )p L LR C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心从传递函数求极点的大致位置n极点位置分布间隔较远23 2 11( )H s a S a S a 2 2 1 3 31( )H s a aS Sa a 21 2 3aS S a 11 2 3aS XS a22 3aS a 1 2S S11 2aS a只要极点位置分布间隔较远，该方法可以推广到任意阶数的分母多项式。 1kk kaS a 华 侨 大 学 IC设 计 中 心其他

14、补偿技术n补偿电容器把有源反馈级的电平与输出的直流电平隔开 222 VsC VgV Cmout 2211 1 VgsCRVVg mLLoutm 221 / VgRVI mSin 22212 211 mLLmCCLmSmCLL CmLSminout gsCRgCCRgRgsCCR sCgRRgIV CSLmp CRRg 11 1 L mSmp C gRg 122 92 mp LgC 华 侨 大 学 IC设 计 中 心其他补偿技术CSLmp CRRg 11 1 L mSmp C gRg 122 华 侨 大 学 IC设 计 中 心零点 4 4( )eq m x m x eqV R g V g V R

15、 9 49 9 4 m m eqx c z m m m x eq z Cg g RV C S g V g g V R S C 9mz CgS C 华 侨 大 学 IC设 计 中 心其他补偿技术1 1 1p m L S Cg R R C 2 12 m S mp Lg R gC 1 91p eq m L CR g R C 4 92 m eq mp Lg R gC 92 mp LgC 华 侨 大 学 IC设 计 中 心设计实例：电流镜负载差分放大器设计2 21 1 5 , 5 ,110 / , 50 / , 0.7 , 0.7,0.04 , 0.5n ox P ox TN TPN P V pFC u

16、A V C uA V V V VV V D DN P1、 设 计 一 个 满 足 下 列 指 标 的 运 放 ： V 负 载 电 容 为 转 换 速 率 SR 10V/ s,小 信 号 增 益 A=100, 3dB带 宽 100Khz,输 入 共 模 范 围 :1V IC M R 4.5V,功 耗 1m W .模 型 参 数 为 ： K K。 2 4 SR 10 / 502P=I 1 I 2003 31 100 318 .2 2 2 2| | 318( )70100ss ss outout L out o N ss P ss P N ssssss V us uAV mW uAdB KHz R

17、KHzR CR r r KHzI I II uAI uA SS SSL-3dB1、 为 了 满 足 转 换 速 率 SR的 要 求 ：I IC、 为 了 满 足 功 耗 要 求 ：、 为 了 满 足 带 宽 要 求 ：f 取 华 侨 大 学 IC设 计 中 心设计实例：电流镜负载差分放大器设计2 21 1 5 , 5 ,110 / , 50 / , 0.7 , 0.7,0.04 , 0.5n ox P ox TN TPN P V pFC uA V C uA V V V VV V D DN P1、 设 计 一 个 满 足 下 列 指 标 的 运 放 ： V 负 载 电 容 为 转 换 速 率 S

18、R 10V/ s,小 信 号 增 益 A=100, 3dB带 宽 100Khz,输 入 共 模 范 围 :1V IC M R 4.5V,功 耗 1m W .模 型 参 数 为 ： K K。 1 1 1 1 1 2 2 24 100 2 / 100( )/ 18.4 /m out d n ox P N ssg R I u C W L IW L W L 、 3 13 33 1 3 3 3 3 4 45 (max)4.5 5 0.7 1.22 0.5/ 8 /DD SG TNSG SGdSG TN p oxV V VV V VIV V u C W LW L W L IC、 V 华 侨 大 学 IC设

19、 计 中 心设计实例：电流镜负载差分放大器设计2 21 1 5 , 5 ,110 / , 50 / , 0.7 , 0.7,0.04 , 0.5n ox P ox TN TPN P V pFC uA V C uA V V V VV V D DN P1、 设 计 一 个 满 足 下 列 指 标 的 运 放 ： V 负 载 电 容 为 转 换 速 率 SR 10V/ s,小 信 号 增 益 A=100, 3dB带 宽 100Khz,输 入 共 模 范 围 :1V IC M R 4.5V,功 耗 1m W .模 型 参 数 为 ： K K。 5 1 1 1 11 15 15 5 2 56 (min) 12 0.922/1 0.0782/ 150.6DS GS GSdGS TNN oxDS GS ssn ox DSV V VIV Vu C W LV V IW L u C V IC、 =V5 5 1 1 1 5 5/ / ,/ GSW L W L VW L比 较 大 ， 所 以 增 大 来 减 小从 而 减 小 ， 运 放 的 设 计 是 不 断 替 代 的 过 程 。