第四講頻率特性與補償

第四講頻率特性與補償演示文稿現在是1頁\一共有45頁\編輯于星期二（優(yōu)選）第四講頻率特性與補償現在是2頁\一共有45頁\編輯于星期二頻率特性放大器高頻反饋穩(wěn)定性問題頻率補償

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是頻率的函數，稱為頻率響應或頻率特性。2現在是3頁\一共有45頁\編輯于星期二4.1放大器的頻率特性1、概述2、共源級頻率特性3、源跟隨器頻率特性4、共柵級頻率特性5、共源共柵級頻率特性6、差動對頻率特性3現在是4頁\一共有45頁\編輯于星期二1、概述

（1）密勒效應密勒定理：圖（a）等效成圖（b）的電路，其中其中Av=VY/VX4現在是5頁\一共有45頁\編輯于星期二利用密勒等效定理，計算圖（a）電路的輸入電容，其中電壓放大器的增益為-AZ=1/(CFs)→Z1=[1/(CFs)]/(1+A)→Cin=CF(1+A)5現在是6頁\一共有45頁\編輯于星期二在阻抗Z與信號主通路并聯的許多情況下，密勒定理被證明是有用的。注意：如果阻抗Z在X點和Y點之間只有一個信號通道，則蜜勒轉換往往是不成立的。用密勒效應估算極點十分簡便，在對復雜結構的估算中非常有用，但簡化時通常丟掉傳輸函數的零點。6現在是7頁\一共有45頁\編輯于星期二（2）極點與結點的關聯放大器的級聯有三個極點，電路的每一個結點對傳輸函數貢獻一個極點。Wj＝時間常數極點頻率R為各結點看到地的總電阻，C為各結點看到地的總電容。7現在是8頁\一共有45頁\編輯于星期二“一個結點貢獻一個極點”有時是不成立的，且極點的計算較難，如圖所示情況，R3和C3在X點和Y點之間產生相互作用。

盡管如此，在許多電路中，一個極點和相應結點的這種聯系為估算傳輸函數提供了一種直觀的方法。8現在是9頁\一共有45頁\編輯于星期二

如果用密勒定理用來獲得輸入-輸出的傳輸函數，則不能同時用該定理來計算輸出阻抗！在輸入端加電壓源在輸出端加電壓源9現在是10頁\一共有45頁\編輯于星期二2、共源級頻率特性（1）根據密勒效應估算傳輸函數主要誤差：（1）沒有考慮電路零點的存在。（2）另一個誤差來源于用-gmRD近似放大器的增益。實際上，由于輸出結點的電容等原因，放大器的增益是會隨著頻率而變化的。AV＝－gmRD10現在是11頁\一共有45頁\編輯于星期二（2）根據小信號模型精確計算輸入結點輸出結點11現在是12頁\一共有45頁\編輯于星期二S的系數近似等于假設：12現在是13頁\一共有45頁\編輯于星期二輸入極點與通過密勒效應估算的輸入極點進行比較輸入極點S2系數為輸出極點13現在是14頁\一共有45頁\編輯于星期二若：即若CGS在頻率特性中占優(yōu)勢則：輸出極點近似于密勒效應估算輸出極點14現在是15頁\一共有45頁\編輯于星期二該零點是輸入、輸出通過CGD直接耦合產生的，位于右半平面。傳輸函數零點的計算：當s=sz時，Vout（s）=0產生穩(wěn)定性問題：使相位裕度更差簡便而有效15現在是16頁\一共有45頁\編輯于星期二輸入阻抗：

高頻時，需考慮輸出結點（電容CDB)對輸入阻抗的影響中頻：CS放大器輸入阻抗的計算＝（1/CGS)||若CGD很大，近似短路16現在是17頁\一共有45頁\編輯于星期二3、源跟隨器頻率特性（1）頻率特性：通過小信號模型計算：包含一個零點，位于左半平面17CL包含CSB現在是18頁\一共有45頁\編輯于星期二假設兩個極點相距遠，wp1<<wp2，則主極點的值為：如果RS=0主極點輸出極點18現在是19頁\一共有45頁\編輯于星期二（2）輸入阻抗:先不考慮CGD低頻增益AV＝CGS蜜勒電容考慮CGD19現在是20頁\一共有45頁\編輯于星期二高頻時，輸入阻抗由電容CGS，CL和一個負電阻串聯組合其中的負電阻等于，這種特性在振蕩器中應用。負電阻20現在是21頁\一共有45頁\編輯于星期二（3）輸出阻抗：（a）(b)忽略CGD、體效應以及CSB產生的并聯輸出阻抗與頻率有關作為緩沖器工作，則必須是較低的阻抗，因此，1/gm<Rs，如圖（b）。21現在是22頁\一共有45頁\編輯于星期二輸出阻抗隨頻率增加,我們假定阻抗包含電感元件。22現在是23頁\一共有45頁\編輯于星期二計算電感：Z1=ZoutL和R1阻抗R1R1和L的并聯電感L若源跟隨器被大電阻RS驅動，則輸出阻抗表現出電感的行為。此時，如果驅動大的負載電容在階躍響應中表現為“減幅振蕩”。已知23現在是24頁\一共有45頁\編輯于星期二4、共柵級頻率特性（1）若忽略溝道長度調制效應沒有密勒乘積項，可以達到寬帶?。?）考慮溝道長度調制效應，極點計算很復雜，可以根據小信號模型計算其極點24現在是25頁\一共有45頁\編輯于星期二CGD1的密勒效應由A點到X點的增益決定A點到X點的增益：由于A到X點的增益小，因此與共源極相比，密勒效應小得多5、共源共柵級頻率特性約為125現在是26頁\一共有45頁\編輯于星期二2.共源共柵電路中三個極點的相對數值取決于實際的設計參數，一般情況下，取ωPX離原點最遠。說明：1.密勒效應對共源共柵放大器的頻率特性影響較小X節(jié)點的總電容為：這種選擇對運放的穩(wěn)定性起重要作用。26現在是27頁\一共有45頁\編輯于星期二6、差動對頻率特性簡單差動對電流源為負載的差動對有源電流鏡為負載的差動對27現在是28頁\一共有45頁\編輯于星期二（1）簡單差動對由于+Vin1/2和-Vin2/2均與相同的傳輸函數相乘，在Vout/Vin中的極點數等于一條通道上的極點數，而不是兩條通路中極點數之和。（a）1）差動信號與共源級相同等效半邊差動電路共模等效電路28現在是29頁\一共有45頁\編輯于星期二2）共模信號1）高頻時電路的共模抑制比下降很多。

2）M3存在電壓余度與共模抑制比折中的問題?？紤]M1和M2的失配，低頻共模增益：M3的寬度大共模抑制比降低輸出結點的電容高頻共模增益：29現在是30頁\一共有45頁\編輯于星期二（2）電流源為負載的差動對（高阻抗負載的差動對）30現在是31頁\一共有45頁\編輯于星期二1）差動信號2）共模信號與簡單差動對類似交流地差動半邊等效電路輸出極點Wp2＝1/[(ro1||ro3)CL]差動信號主極點31現在是32頁\一共有45頁\編輯于星期二（3）有源電流鏡為負載的差動對：

該電路包含差動傳輸函數的兩條信號通路。

與結點E相對應的極點稱為“鏡像極點”。Wp1Wp2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32現在是33頁\一共有45頁\編輯于星期二零點的計算方法：電路由慢通路（M1，M3，M4）和快通路（M1，M2)并聯而成，兩路傳輸函數分別為：疊加SZ=2wp233現在是34頁\一共有45頁\編輯于星期二NOTICE：電流源為負載的差動對沒有鏡像極點有源電流鏡為負載的差動對（單端輸出）有鏡像極點因此，通常來說，以電流源為負載的全差動電路穩(wěn)定更好，這是相對于單端電路的優(yōu)點之一。34現在是35頁\一共有45頁\編輯于星期二

4.2穩(wěn)定性與頻率補償為何產生穩(wěn)定性問題35現在是36頁\一共有45頁\編輯于星期二1、反饋系統的正反饋與負反饋正反饋可以增強放大器對微弱信號的靈敏度或增加增益。負反饋則可以提高放大器的增益穩(wěn)定性，工作點的穩(wěn)定性、減小失真、改善輸入輸出電阻、拓寬頻帶等。36現在是37頁\一共有45頁\編輯于星期二2、負反饋基本負反饋系統增益為無窮大，產生振蕩環(huán)路增益負反饋開環(huán)環(huán)路以及負反饋分別產生-180°相移，因此閉環(huán)環(huán)路共產生360相移，和源信號同相疊加，如要產生振蕩，環(huán)路增益≥137現在是38頁\一共有45頁\編輯于星期二不穩(wěn)定系統和穩(wěn)定系統的環(huán)路增益波特圖（頻率響應）3、增益交點和相位交點要使系統穩(wěn)定，必須將相移減至最小，使得當|βH|=1時，∠βH相移未到－180°，或∠βH=－180°時，|βH|＜138現在是39頁\一共有45頁\編輯于星期二使環(huán)路增益幅值＝1的頻率，稱為“增益交點”

GX使環(huán)路增益的相位＝－180°的頻率，稱為“相位交點”

PXGX和PX對穩(wěn)定性起重要作用GXPX在穩(wěn)定系統中，增益交點必定發(fā)生在相位交點之前若β減小，幅值曲線下移，增益交點向原點移動，系統更加穩(wěn)定。最壞情況是β＝1即單位增益的情況。39現在是40頁\一共有45頁\編輯于星期二4、波特圖（Bode圖）：頻率特性的對數坐標圖，由對數幅頻特性及相頻特性組成。Bode圖橫坐標橫坐標：W每變化10倍，長度變化1個單位，稱為10倍頻程縱坐標：采用均勻分度，值為：Bode圖特點：－可以將幅值相乘轉化為幅值相加，便于繪制多個零極點系統的對數頻率特性。－可以采用漸進線法近似的方法繪制對數幅頻圖。40現在是41頁\一共有45頁\編輯于星期二Bode圖的繪制：1）幅頻特性：在每個零點頻率處，幅值曲線的斜率按+20dB/dec變化；在每個極點頻率處，斜率按-20dB/dec變化。2）相頻特性：對一個的極點（零點），相位約在0.1的地方開始下降（上升），在處經歷-45o（+45o）的變化，在大約10處達到-90o(+90o）的變化。

高頻極點和零點對相位的影響可能比幅值的影響更大41現在是42頁\一共有45頁\編輯于星期二5、復平面中極點的位置復平面極點為：其時域沖激響應為：極點在右半平面極點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)極點在零點42現在是43頁\一共有45頁\編輯于星期二單極點系統的環(huán)路增益的波特圖