第十章穩(wěn)定性與頻率補償-revised

1、西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 1第十章穩(wěn)定性與頻率補償董剛Email: 2013年6月西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 2本講內(nèi)容 穩(wěn)定性概述 多極點系統(tǒng) 相位裕度 頻率補償 兩級運放的補償 其它補償技術(shù)西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 3負(fù)反饋系統(tǒng)的振蕩條件，則振蕩并且如果判據(jù)：，系統(tǒng)振蕩180)( 1| )(| 1)()(1)()(jHjHBarkhausensHsHsHsXY西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 4不穩(wěn)定系統(tǒng)VS穩(wěn)定系統(tǒng)oooo18011180)

2、(18011180)(，相位；增益，增益穩(wěn)定：相位，相位；增益，增益不穩(wěn)定：相位ba西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 5復(fù)平面中的極點位置與穩(wěn)定性）左半平面：穩(wěn)定狀態(tài)軸：等幅振蕩（）（的振蕩）右半平面：幅值增大（項系統(tǒng)響應(yīng)中包括極點：cYba)(exp,tjjSppppp西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 6單極點系統(tǒng)的穩(wěn)定性圖形式）的幅頻與相頻圖（波特畫出環(huán)路增益為分析其穩(wěn)定性：則設(shè))(111)()(1)(000000sHAsAAsXsYsAsH西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 7單極點系統(tǒng)的波特圖

3、單極點系統(tǒng)無條件穩(wěn)定分析反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過環(huán)路增益)(H西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 8本講內(nèi)容 穩(wěn)定性概述 多極點系統(tǒng) 相位裕度 頻率補償 兩級運放的補償 其它補償技術(shù)西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 9二極點系統(tǒng)）（但總大于而后逐漸趨近，處，相位等于：對于是穩(wěn)定的閉環(huán)傳輸函數(shù)是二極點系統(tǒng)則是二極點系統(tǒng)若ooo2180-180-135-)()()()()(psHsXsYsHsH西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 10二極點系統(tǒng)：開環(huán)VS閉環(huán)（1）24)()(2)1 (4)()(0)1 ()()

4、1)(1 ()()(0 )1)(1 ()(21022121210221212, 1210212210021021210ppppppppppppppppppppppppAAsAssAAssAsXsYssAsH）：為閉環(huán)的極點（上式分母閉環(huán)：均大于、式中開環(huán)：西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 11二極點系統(tǒng)：開環(huán)VS閉環(huán)（2）是穩(wěn)定的于左半平面，所以系統(tǒng)但是閉環(huán)的極點始終位，閉環(huán)極點變?yōu)閺?fù)數(shù)，閉環(huán)極點重合）區(qū)間、，閉環(huán)極點位于（、閉環(huán)極點為2102212102212121022121210221212, 14)( ;4)(;4)(0 ;, 024)()(pppppp

5、ppppppppppppppppAAAAs西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 12三極點系統(tǒng)，則可保證穩(wěn)定若：穩(wěn)定的相對位置與相位交點點穩(wěn)定性：取決于增益交p2p3p2PXPXGXGXPXGX西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 13本講內(nèi)容 穩(wěn)定性概述 多極點系統(tǒng) 相位裕度 頻率補償 兩級運放的補償 其它補償技術(shù)西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 14相位裕度)(180:GXHPMo相位裕度西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 15相位裕度（GX=p2）-180Phase Ma

6、rgin, m = 45西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 16相位裕度（PM=60o，是個合適的值）西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 17大信號應(yīng)用：時域的Simulation小信號仿真時，PM= 65 但是對于大信號階躍信號，仍有較大的抖動對于大信號，時域的Simulation更真實有效西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 18本講內(nèi)容 穩(wěn)定性概述 多極點系統(tǒng) 相位裕度 頻率補償 兩級運放的補償 其它補償技術(shù)西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 19頻率補償?shù)脑碓恚盒薷?/p>

7、H的傳輸函數(shù)，使GXCE時時:西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 36密勒補償?shù)臉O點分裂現(xiàn)象（3）1P P2 2L LL Lf f2 2R R C C1S Sm m9 9L LL Lm m9 9L LP P2 2E EL LS SL LE EL LL LE EL Lm m9 9R R1 1+ +g g R R+ +R R1 1+ +g g R Rf fC C + +C C2 2R R R RC C + +C C2 2R RC C + +C C2 2g g補償后，在關(guān)心的頻率內(nèi)補償后，在關(guān)心的頻率內(nèi)CC近似于短路近似于短路，輸出電阻約為，輸出電阻約為1/gm9/RL

8、 1/gm9。第二第二主極點提高了約主極點提高了約gm9RL倍。倍。西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 37放大器零點的產(chǎn)生m m9 9Z ZC Cg gf f( (R RH HP P) )= =2 2C CC Cm m9 9 L Lo ou ut tm m9 92 2i in nS S L LE E C CE EC CL LS Sm m9 9 L LC CE EL LC CL LC CS S- -g g R R( (1 1- -) )V V ( (S S) )g g= =V V ( (S S) )R R R R C C C C + + C C + +C C C

9、C S S + + R R1 1+ +g g R R C C + +C C + + C C + +C C R R S S+ +1 1西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 38負(fù)零點與正零點（RHP）西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 39零點與相位裕度的關(guān)系西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 40RHP 零點的消除方法（1）VE- -1 1Z ZC Cm m9 9Z Z- -1 1E Em m9 9E EZ ZC C- -1 1m m9 9Z ZC Cm m9 9Z ZC CV V= = g gV VR R

10、+ + 1 1/ /C C S S1 1S SR R+ + 1 1/ /C C S S = = g g1 1f f = =2 2 g g- -= =g gC CR RR RC C- -當(dāng)當(dāng)gm9-1RZ， fZ ，零點在零點在無窮遠(yuǎn)處，即零點被消除了！無窮遠(yuǎn)處，即零點被消除了！西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 41RHP 零點的消除方法（2）1CC(1/gm9 RZ)gm9CL CERZCL CE CCgm9CCCL CCgm9CC當(dāng)當(dāng)gm9-1RZ， 零點移到左半平面，若滿足下面條件，則以前的零點移到左半平面，若滿足下面條件，則以前的第二個極點就和該零點對消了

11、，即以前的第二個極點消除了！第二個極點就和該零點對消了，即以前的第二個極點消除了！該零、極點對消技術(shù)的缺點是該零、極點對消技術(shù)的缺點是RZ是負(fù)載電容是負(fù)載電容CL的函的函數(shù)，當(dāng)負(fù)載電容未知或變化時，該技術(shù)很難實現(xiàn)。數(shù)，當(dāng)負(fù)載電容未知或變化時，該技術(shù)很難實現(xiàn)。西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 42RHP 零點的消除方法（3）1 15 5G GS S1 13 3G GS S9 9G GS S1 15 5G GS S1 14 4m m1 15 5m m1 14 41 14 4V V= = V VV V= = V Vg g= =g g- -1 1- -1 11 14 4

12、L Lo on n1 15 5m m1 14 4m m9 9Z Zm m1 15 51 15 5C C1 1C CR R= = = g g= = g g ( (1 1 + +) )= = R Rg gC C1 15 51 14 49 9D D9 9D D1 14 4C CL L( (W W/ /L L) )= =( (W W/ /L L) ) ( (W W/ /L L) )I I/ /I I( (1 1 + + C C / /C C ) )跟蹤溫度和工藝跟蹤溫度和工藝而生成而生成Vb的電路的電路西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 43RHP 零點的消除方法（4）g

13、m9 ID9ID111/RSRZ與與RS的適當(dāng)比率可保證的適當(dāng)比率可保證RZ=(1+CL/ CC)/gm9成立成立西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 44負(fù)載電容對階躍響應(yīng)的影響增大負(fù)載電容對單級運放與兩級運放階躍響應(yīng)的影響增大負(fù)載電容對單級運放與兩級運放階躍響應(yīng)的影響西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 45兩極運放中的轉(zhuǎn)換（1）簡單簡單兩級運放兩級運放西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 46兩極運放中的轉(zhuǎn)換（2）正正轉(zhuǎn)換期間的簡化電路轉(zhuǎn)換期間的簡化電路負(fù)轉(zhuǎn)換期間的簡化電路負(fù)轉(zhuǎn)換期間的簡化電路西電微電子：

14、模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 47運放的其它補償技術(shù)（1）VoutminVGS2+VI2 ,源跟隨器源跟隨器M2減小了減小了輸出電壓擺幅。輸出電壓擺幅。西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 48運放的其它補償技術(shù)（2）fp112RSgm1RLCCfp2gm12CL- -1 1m m1 11 1o ou ut tL LL Lg g V V + + V V( (R R+ + C C S S) )= = 0 0o ou ut t1 11 1i in nS Sm m2 2C CV V- - V VV V+ +I I= =1 11 1R R+ +g g

15、C C S So ou ut tm m1 1L LS Sm m2 2C C2 2i in nL LL LC Cm m2 2S Sm m1 1 m m2 2L LS SC Cm m2 2L LL Lm m2 2V V- -g g R R R R( (g g + +C C S S) )= =I IR R C C C C( (1 1+ +g g R R ) )S S + + 1 1+ +g g g g R R R R C C + +g g R R C CS S+ +g g西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 49運放的其它補償技術(shù)（3）前面補償技術(shù)中的源跟隨器限制了輸出電

16、壓擺幅，本電路中前面補償技術(shù)中的源跟隨器限制了輸出電壓擺幅，本電路中VominVon1，從后面的分析中還可看見，其帶寬比前種補償技從后面的分析中還可看見，其帶寬比前種補償技術(shù)更寬，但所需靜態(tài)功耗比前種補償技術(shù)更大。術(shù)更寬，但所需靜態(tài)功耗比前種補償技術(shù)更大。西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 50運放的其它補償技術(shù)（4）fp112RSgm1RLCCfp2gm1gm2RS2CLm m2 22 22 2o ou ut tC Cg gV VV V + + V V+ += = 0 0C C S Sm m1 11 1o ou ut tL LL Lm m2 22 2g g V

17、V + + V V( (1 1/ /R R + + C C S S) )= = g gV Vo ou ut tm m1 1L LS Sm m2 2C C2 2i in nL LL LC Cm m1 1S Sm m2 2L LC CC Cm m2 2L LL Lm m2 2V V- -g g R R R R( (g g + +C C S S) )= =I IR R C C C C S S + + 1 1+ +g g R R g g R R C C + +C C + +g g R R C CS S+ +g gfp2增加了增加了gm2RS倍倍,電路可提供電路可提供更大帶寬。更大帶寬。西電微電子：模擬

18、集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 51前述補償技術(shù)兩極運放中的轉(zhuǎn)換正正轉(zhuǎn)換簡化電路轉(zhuǎn)換簡化電路負(fù)轉(zhuǎn)換簡化電路負(fù)轉(zhuǎn)換簡化電路西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 52本講內(nèi)容 穩(wěn)定性概述 多極點系統(tǒng) 相位裕度 頻率補償 兩級運放的補償 其它補償技術(shù) 兩級運放的設(shè)計西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 53兩級運放的轉(zhuǎn)換速率（SR）Basic Two-Stage Op Amp西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 54兩級運放的正向SR與負(fù)向SRCSSCISR 西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 Stabi

19、lityCh. 10 # 55兩級運放的設(shè)計實例（1）ovLLDDPMAnsVpFCkRVV652000100%05. 02V4 . 45100 50總的穩(wěn)定時間要求穩(wěn)定精度階躍輸入單位緩沖，輸出擺幅、性能指標(biāo)Vvv V. V.m fF/CA/V CA/V Cthpthn-p-noxoxpoxn7 . 0|)m0.5L(20)m0.5L( 1030,3060:工藝11222，參數(shù)西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 56兩級運放的設(shè)計實例（2）MHzGBWMHztGBWnsnstnsIVCtVVVVVVICGBWSRVtCISRVCIGBWVCICgCArrAAfA

20、GBWAAADCtotaldsatdsatDCtotalCDdsatCDdsatCDCmCvoovvpvvvv3528122000ln4310052. 352. 110052. 32 . 02%05. 0)1ln(2)1ln(2222)|(21SRGBW%05. 0%05. 07227727222422110210，考慮設(shè)計余量，取，其中得代入，與放的總的穩(wěn)定時間與兩級運西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 57轉(zhuǎn)換速率與小信號建立GBWSRVtttGBWtSRVtOUTSRtotalOUTSR1 . 121000ln%1 . 0%1 . 0西電微電子：模擬集成電路

21、設(shè)計 StabilityCh. 10 # 58兩級運放的設(shè)計實例（3）GBWfffGBWGBWffGBWGBWffGBWfGBWPMCfCCfffpzozzoppzpoCzCnpzp37 . 5)(tan105 .18)(tan3)(tan)(tan902g)1 (C2gC2gGBWPMGBW21212121m61Lm62Cm22，取以及更高階極點的相移因此考慮到，則若，則若，與、西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 59兩級運放的設(shè)計實例（4）pFCCCCCCpFCpFCLWCumumLWuAIVVmsGBWCgCgCCCgfCgfCnCnCLnoxnDdsatLmLmCnLmpnmp8 . 0532 . 0MOSFET14. 0325 . 0138 3302 . 03 . 3322)1 (211166166666162162，取倍的一般取上述估算中，前提為連線寄生電容，取寄生電容及，考慮其它此時，則取，進(jìn)而估算估算通過西電微電子：模擬集成電路設(shè)計 StabilityCh. 10 # 60兩級運放的設(shè)計實例（5）AImsgGBWC