頻率特性與補(bǔ)償PPT課件

1、1第1頁/共51頁頻率特性放大器高頻反饋穩(wěn)定性問題頻率補(bǔ)償 由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的傳輸函數(shù)是頻率的函數(shù)，稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。2第2頁/共51頁1 1、概述、概述2 2、共源級(jí)頻率特性、共源級(jí)頻率特性3 3、源跟隨器頻率特性、源跟隨器頻率特性4 4、共柵級(jí)頻率特性、共柵級(jí)頻率特性5 5、共源共柵級(jí)頻率特性、共源共柵級(jí)頻率特性6 6、差動(dòng)對(duì)頻率特性、差動(dòng)對(duì)頻率特性3第3頁/共51頁Z1Z(1 Av)Z2Z(1 A1v)密勒定理：圖（a a）等效成圖（b b）的電路，其中 其中Av=VAv=VY Y / V / V X X4第4頁/共51頁利用密勒等效定理，計(jì)算

2、圖（a a）電路的輸入電容，其中電壓放大器的增益為-A-AZ=1/(CZ=1/(CF Fs) s) Z Z1 1=1/(C1/(CF Fs s) /(1+A) C) /(1+A) Cinin=C=CF F(1+A)(1+A)5第5頁/共51頁在阻抗Z Z與信號(hào)主通路并聯(lián)的許多情況下，密勒定理被證明是有用的。注意：如果阻抗注意：如果阻抗Z Z在在X X點(diǎn)和點(diǎn)和Y Y點(diǎn)之間只有一個(gè)信號(hào)通道，點(diǎn)之間只有一個(gè)信號(hào)通道，則蜜勒轉(zhuǎn)換往往是不成立的。則蜜勒轉(zhuǎn)換往往是不成立的。用密勒效應(yīng)估算極點(diǎn)十分簡(jiǎn)便，在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的估算中非常有用，但簡(jiǎn)化時(shí)通常丟掉傳輸函數(shù)的零點(diǎn)。6第6頁/共51頁12121( )111ou

3、tinsinNpVAAsVRCsRCsRCs1j1RC放大器的級(jí)聯(lián)放大器的級(jí)聯(lián)有三個(gè)極點(diǎn)，電路的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。Wj時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)頻率R R為各結(jié)點(diǎn)看到地的總電阻，C C為各結(jié)點(diǎn)看到地的總電容。7第7頁/共51頁 盡管如此，在許多電路中，一個(gè)極點(diǎn)和相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的這種聯(lián)系為估算傳輸函數(shù)提供了一種直觀的方法。8第8頁/共51頁 如果用密勒定理用來獲得輸入- -輸出的傳輸函數(shù)，則不能同時(shí)用該定理來計(jì)算輸出阻抗！在輸入端加電壓源在輸出端加電壓源9第9頁/共51頁1(1)inSGSmDGDRCg RC1()outDDBGDRCC( )(1)(1)outmDininoutVg RsssV1(1

4、)inSGSmDGDRCg RC（1）根據(jù)密勒效應(yīng)估算傳輸函數(shù)主要誤差：（1 1）沒有考慮電路零點(diǎn)的存在。（2 2）另一個(gè)誤差來源于用-g-gmmR RD D近似放大器的增益。實(shí)際上，由于輸出結(jié)點(diǎn)的電容等原因，放大器 的增益是會(huì)隨著頻率而變化的。AVgmRD10第10頁/共51頁（2 2）根據(jù)小信號(hào)）根據(jù)小信號(hào)模型精確計(jì)算模型精確計(jì)算輸入結(jié)點(diǎn)輸出結(jié)點(diǎn)11第11頁/共51頁2)()( )()(1)(1outGDmDinSDGSGDGSSBGDDBSmDGDSGSDGDDBVsCgRsVs R RC CC CCCs Rg RCR CRCC1)11(s) 1)(1(2121221sssDpppppp

5、1p121ppS S的系數(shù)近似等于的系數(shù)近似等于假設(shè)：假設(shè)：12第12頁/共51頁1(1)inSGSmDGDR Cg R C 輸入極點(diǎn)與通過密勒效應(yīng)估算的輸入極點(diǎn) 進(jìn)行比較輸入極點(diǎn)S S2 2系數(shù)為系數(shù)為輸出極點(diǎn)13第13頁/共51頁若：若：即若C CGSGS在頻率特性中占優(yōu)勢(shì)則：則：輸出極點(diǎn)近似于密勒效應(yīng)估算輸出極點(diǎn)14第14頁/共51頁mzG DgsC傳輸函數(shù)零點(diǎn)的計(jì)算傳輸函數(shù)零點(diǎn)的計(jì)算：當(dāng)：當(dāng)s=ss=sz z時(shí)，時(shí)，V Voutout（s s）=0=0產(chǎn)生穩(wěn)定性問題：使相位裕度更差簡(jiǎn)便而有效15第15頁/共51頁輸入阻抗： 高頻時(shí)，需考慮輸出結(jié)點(diǎn)（電容C CDBDB) )對(duì)輸入阻抗的影

6、響中頻：中頻：CS放大器輸入阻抗的計(jì)算（1/CGS)|若CGD很大，近似短路16第16頁/共51頁mGSLGDSmLGDGDGSLGSSGSmingsCCCRgCCCCCCRssCgsVV)()()(2out（1）頻率特性：）頻率特性：通過小信號(hào)模型計(jì)算：通過小信號(hào)模型計(jì)算：包含一個(gè)零點(diǎn)，位于左半平面17CL包含CSB第17頁/共51頁11 mpmSGDLGSLGSSGDmgg R CCCCCR Cg)(1pGSLmCCg假設(shè)兩個(gè)極點(diǎn)相距遠(yuǎn)，wwp1p1w|sC |11/1/ /() inmmbmbGSinGSmbmmbGDZgggsCCCgggC低頻時(shí)，低頻增益AVCGS蜜勒電容考慮CGD1

7、9第19頁/共51頁2L |11CmbLminGSLGSgsCgZsCsCs C高頻時(shí)，)(Cg-2GSmLC負(fù)電阻20sCgsCgCZLmbGSmGS11s1in）（第20頁/共51頁/1 1 / ( O U TXXSG SG SmSZVIsR Cg msCgR低 頻 ）（ 高 頻 ）（a）(b)忽略忽略CGD、體效應(yīng)以及、體效應(yīng)以及CSB產(chǎn)生的并聯(lián)輸出阻抗產(chǎn)生的并聯(lián)輸出阻抗與頻率有關(guān)作為緩沖器工作，則必須是較低的阻抗，因此，1/gmRs，如圖（b）。21第21頁/共51頁輸出阻抗隨頻率增加輸出阻抗隨頻率增加, ,我們假定阻抗包含電感元件。我們假定阻抗包含電感元件。SoutmoutRZgZ，

8、10211210RRZRZ，mSmgRRgR/1/11222第22頁/共51頁sCgsCRZGSmGSSout1Z1=ZoutL和R1阻抗R1R1和L的并聯(lián)電感L若源跟隨器被大電阻RS驅(qū)動(dòng)，則輸出阻抗表現(xiàn)出電感的行為。此時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載電容在階躍響應(yīng)中表現(xiàn)為“減幅振蕩”。已知23第23頁/共51頁（1）若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)沒有密勒乘積項(xiàng)，可以達(dá)到寬帶！（2 2）考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，極點(diǎn)計(jì)算很復(fù)雜，）考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，極點(diǎn)計(jì)算很復(fù)雜，可以根據(jù)小信號(hào)模型計(jì)算其極點(diǎn)可以根據(jù)小信號(hào)模型計(jì)算其極點(diǎn)24第24頁/共51頁1112211pAmSGSGDmmbgRCCgg)

9、(221mbmmggg1112211pAmSGSGDmmbgRCCggC CGD1GD1的密勒效應(yīng)由的密勒效應(yīng)由A A點(diǎn)到點(diǎn)到X X點(diǎn)點(diǎn)的增益決定的增益決定 A A點(diǎn)到點(diǎn)到X X點(diǎn)的增益：點(diǎn)的增益：由于A到X點(diǎn)的增益小，因此與共源極相比，密勒效應(yīng)小得多約為125第25頁/共51頁1112211pAmSGSGDmmbgRCCgg2211222GSSBGBGDmbmpXCCCCgg221pYDDBLGDRCCC 2. 2.共源共柵電路中三個(gè)極點(diǎn)的相對(duì)數(shù)值取決于實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)， 一般情況下，取PXPX離原點(diǎn)最遠(yuǎn)。說明：說明：1. 1.密勒效應(yīng)對(duì)共源共柵放大器的頻率特性影響較小密勒效應(yīng)對(duì)共源共柵放大器

10、的頻率特性影響較小X X節(jié)點(diǎn)的總電容為：節(jié)點(diǎn)的總電容為：這種選擇對(duì)運(yùn)放的穩(wěn)定性起重要作用。26第26頁/共51頁簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)電流源為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)有源電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)27第27頁/共51頁由于+V+Vin1in1/2/2和-V-Vin2in2/2/2均與相同的傳輸函數(shù)相乘，在V Voutout/V/Vinin中的極點(diǎn)數(shù)等于一條通道上的極點(diǎn)數(shù)，而不是兩條通路中極點(diǎn)數(shù)之和。（a）1 1）差動(dòng)信號(hào)）差動(dòng)信號(hào)與共源級(jí)相同等效半邊差動(dòng)電路共模等效電路28第28頁/共51頁1)p1/()()1/(321,sCrggsCRgAommLDmCMv2 2）共模信號(hào)）共模信號(hào)1 1）高頻時(shí)電路的共模抑制比下降很多

11、。）高頻時(shí)電路的共模抑制比下降很多。 2 2）MM3 3存在電壓余度與共模抑制比折中的問題。存在電壓余度與共模抑制比折中的問題?？紤]考慮M1和和M2的失配，低頻共模增益：的失配，低頻共模增益：M3的寬度大共模抑制比降低輸出結(jié)點(diǎn)的電容高頻共模增益：29第29頁/共51頁30第30頁/共51頁1）差動(dòng)信號(hào)2）共模信號(hào)與簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)類似交流地差動(dòng)半邊等效電路輸出極點(diǎn)Wp21/(ro1|ro3)CL差動(dòng)信號(hào)主極點(diǎn)31第31頁/共51頁 該電路包含差動(dòng)傳輸函數(shù)的兩條信號(hào)通路。 與結(jié)點(diǎn)E E相對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)稱為“鏡像極點(diǎn)”。11(|)poNoPLrrC32mpEgC1241(|)pooLrrC3222mZpEg

12、CWp1Wp2戴維南等效位于左半平面CE包括CGS3、CGS4、CDB3、CDB1，以及CGD1、CGD4的密勒項(xiàng)32第32頁/共51頁零點(diǎn)的計(jì)算方法：電路由慢通路（M1M1，M3M3，M4M4）和快通路（M1M1，M2)M2)并聯(lián)而成，兩路傳輸函數(shù)分別為：疊加SZ=2wp233第33頁/共51頁NOTICENOTICE：電流源為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)沒有鏡像極點(diǎn)有源電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)（單端輸出）有鏡像極點(diǎn) 因此，通常來說，以電流源為負(fù)載的 全差動(dòng)電路穩(wěn)定更好，這是相對(duì)于單端電路的優(yōu)點(diǎn)之一。 34第34頁/共51頁 為何產(chǎn)生穩(wěn)定性問題35第35頁/共51頁 正反饋可以增強(qiáng)放大器對(duì)微弱信號(hào)的靈敏度或增加

13、增益。 負(fù)反饋則可以提高放大器的增益穩(wěn)定性，工作點(diǎn)的穩(wěn)定性、減小失真、改善輸入輸出電阻、拓寬頻帶等。36第36頁/共51頁11( )( )1( )()1 ()YH ssXH sH j 如果，則電路可以在處產(chǎn)生振蕩 巴克豪森判據(jù)基本負(fù)反饋系統(tǒng)增益為無窮大，產(chǎn)生振蕩環(huán)路增益負(fù)反饋開環(huán)環(huán)路以及負(fù)反饋分別產(chǎn)生-180相移，因此閉環(huán)環(huán)路共產(chǎn)生360相移，和源信號(hào)同相疊加，如要產(chǎn)生振蕩，環(huán)路增益137第37頁/共51頁要使系統(tǒng)穩(wěn)定，必須將相移減至最小，使得當(dāng)|H|=1時(shí)， H相移未到180，或 H=180時(shí)， |H|138第38頁/共51頁使環(huán)路增益幅值1的頻率，稱為“增益交點(diǎn)” GX使環(huán)路增益的相位18

14、0的頻率，稱為“相位交點(diǎn)” PXGX和PX對(duì)穩(wěn)定性起重要作用GXPX在穩(wěn)定系統(tǒng)中，增益交點(diǎn)必定發(fā)生在相位交點(diǎn)之前在穩(wěn)定系統(tǒng)中，增益交點(diǎn)必定發(fā)生在相位交點(diǎn)之前若若減小，幅值曲線下移，增益交點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，系統(tǒng)更減小，幅值曲線下移，增益交點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。最壞情況是加穩(wěn)定。最壞情況是1即單位增益的情況。即單位增益的情況。39第39頁/共51頁：頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，由對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性組成。BodeBode圖橫坐標(biāo)圖橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)：WW每變化每變化1010倍，長(zhǎng)度變化倍，長(zhǎng)度變化1 1個(gè)單位，稱為個(gè)單位，稱為1010倍頻程倍頻程縱坐標(biāo)：采用均勻分度，值為：縱坐標(biāo)：采用均勻分度，值

15、為：Bode圖特點(diǎn)：圖特點(diǎn)：可以將幅值相乘轉(zhuǎn)化為幅值相加，便于繪制多個(gè)零極點(diǎn)可以將幅值相乘轉(zhuǎn)化為幅值相加，便于繪制多個(gè)零極點(diǎn)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性。系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性?？梢圆捎脻u進(jìn)線法近似的方法繪制對(duì)數(shù)幅頻圖?？梢圆捎脻u進(jìn)線法近似的方法繪制對(duì)數(shù)幅頻圖。20lg( )H40第40頁/共51頁BodeBode圖的繪制：1 1）幅頻特性：在每個(gè)零點(diǎn)頻率處，幅值曲線的斜率按+20dB/dec+20dB/dec變化；在每個(gè)極點(diǎn)頻率處，斜率按-20dB/dec-20dB/dec變化。2 2）相頻特性：對(duì)一個(gè) 的極點(diǎn)（零點(diǎn)），相位約在0.1 0.1 的地方開始下降（上升），在 處經(jīng)歷-45-45o o（+45+

16、45o o）的變化，在大約10 10 處達(dá)到-90-90o o(+90(+90o o）的變化。 mmmm高頻極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)相位的影響可能比幅值的影響更大41第41頁/共51頁復(fù)平面極點(diǎn)為：其時(shí)域沖激響應(yīng)為：極點(diǎn)在右半平面極點(diǎn)在左半平面幅值增大的不穩(wěn)定態(tài)等幅振蕩的不穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)極點(diǎn)在零點(diǎn)42第42頁/共51頁單個(gè)極點(diǎn)不可能產(chǎn)生大于9090o o的相移，而且單極點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所有的正值都是無條件的穩(wěn)定00( )(1)H SAs43第43頁/共51頁兩極點(diǎn)系統(tǒng)環(huán)路增益的波特圖若在增益交點(diǎn)處，相位未達(dá)-180，則兩極點(diǎn)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。當(dāng)反饋?zhàn)內(nèi)鯐r(shí)，增益交點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，而相位交點(diǎn)保持不變，系統(tǒng)更穩(wěn)定，而這種穩(wěn)定性是以更弱的反饋為代價(jià)得到的。在運(yùn)放中，每個(gè)增益級(jí)產(chǎn)生一個(gè)主極點(diǎn)。對(duì)帶寬起主導(dǎo)作用的極點(diǎn)44第44頁/共51頁 高頻極點(diǎn)（和零點(diǎn)) )對(duì)相位的影響比對(duì)幅值的影響大。45第45頁/共51頁增益交點(diǎn)和相位交點(diǎn)的間距要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，GX需在需在PX之前。之前。增大GX與PX的間距，間距越大，系